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输入计算

数学公式

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结果

Laplace Pressure (ΔP)
145.6
帕斯卡(Pa)
压力(千帕 kPa) 0.1456 kPa
压力(毫米汞柱 mmHg) 1.0921 mmHg

什么是杨-拉普拉斯方程?

杨-拉普拉斯方程描述的是两种静止流体(例如空气与水)界面两侧由表面张力引起的压力差(\(\Delta P\))。像液滴或气泡表面这样的弯曲界面,会对内部的流体产生向内的"挤压"作用,从而使内部压力高于周围环境压力。本计算器可根据表面张力 \(\gamma\) 和界面的曲率,算出这一压力跃变。

弯曲液-气界面两侧的压力差
杨-拉普拉斯方程给出曲面界面两侧的压力差,凹侧压力更高。

如何使用本计算器

首先选择界面的几何形状。如果是球面或球形液滴,只需输入表面张力 \(\gamma\)(单位为牛顿每米)和单一半径 \(R\)。如果是一般曲面,则需要同时输入两个主曲率半径 \(R_1\) 和 \(R_2\)。计算器会同时给出以帕斯卡(Pa)、千帕(kPa)和毫米汞柱(mmHg)表示的 \(\Delta P\)。请全程使用国际单位制:半径以米为单位,表面张力以 N/m(等价于 J/m²)为单位。

公式详解

对于一般曲面,压力跃变为 $$\Delta P = \gamma \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right)$$ 其中 \(\left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right)\) 等于曲面平均曲率的两倍。半径越小,意味着曲率越大,压力差也就越大——这正是微小液滴和气泡内部压力很高的原因。对于球面,两个半径相等,方程就简化为 $$\Delta P = \frac{2\gamma}{R}$$

曲面上的两个主曲率半径 R1 和 R2
一般曲面有两个主曲率半径 \(R_1\) 和 \(R_2\),公式中都会用到。

计算示例

设有一个半径 \(R = 0.001 \text{ m}\)(即 1 mm)的水滴,室温下其表面张力 \(\gamma = 0.0728 \text{ N/m}\)。代入球面公式可得:$$\Delta P = \frac{2 \times 0.0728}{0.001} = 145.6 \text{ Pa}$$ 也就是说,水滴内部的压力比周围空气约高出 146 Pa。

常见问题

球面公式中为什么会出现系数 2?球面在各个方向上的半径都相同,因此 \(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} = \frac{2}{R}\)。

这个公式适用于肥皂泡吗?肥皂泡有内外两个界面,所以其压力跃变要翻倍:\(\Delta P = \frac{4\gamma}{R}\)。计算时可输入实际半径的一半,或将球面公式的结果乘以 2,以计入额外的那一层界面。

应该使用什么单位?半径请用米、表面张力请用 N/m,这样得到的结果就是帕斯卡(Pa)。

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