液體的表面性質(zhì)ppt課件.ppt

液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物理學(xué) 1 教學(xué)內(nèi)容 了解產(chǎn)生液體表面現(xiàn)象的微觀機制掌握表面張力系數(shù)以及表面張力掌握彎曲液面內(nèi)的附加壓強公式理解潤濕與不潤濕現(xiàn)象 毛細現(xiàn)象了解肺泡的壓強 氣體栓塞以及表面吸附現(xiàn)象等 第四章液體的表面現(xiàn)象 液體有哪些特性質(zhì) 液體的性質(zhì)介于固體與氣體之間 一方面 它像固體一樣具有一定的體積 不易壓縮 另一方面 它又像氣體一樣 沒有一定的形狀 具有流動性 2 液體的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān) 液體具有一定的體積 不易壓縮 液體分子間距較氣體小了一個數(shù)量級 分子排列較緊密 分子間作用力較大 其熱運動與固體相似 主要在平衡位置附近作微小振動 液體沒有一定形狀 并具有流動性 這是由于液體分子振動的平衡位置不固定 是近程有序 即在很小范圍內(nèi)在一短暫時間里保持一定的規(guī)則性 由于液體分子間距小 分子間相互作用力較大 當(dāng)液體與氣體 固體接觸時 交界處由于分子力作用而產(chǎn)生一系列特殊現(xiàn)象 即 液體表面現(xiàn)象 3 1 分子力的特點 斥力 引力 有效直徑 有效作用半徑 合力 斥力 引力 根據(jù)分子之間作用力對這種微觀結(jié)構(gòu)的進一步解釋 4 6 微觀力與宏觀力的關(guān)系 3 表面層 4 表面能 表面層分子勢能 內(nèi)部分子勢能 形成表面能 5 形成表面張力系統(tǒng)以勢能最小的狀態(tài)最穩(wěn)定 液體有盡量縮小其表面的趨勢 宏觀表面為表面張力 球內(nèi)分子引力 分子作用球 2 分子作用球 半徑 R 球外分子無作用力 表面層分子受力 合力向下 5 7 界面 interface 密切接觸的兩相間的過渡區(qū) 約10 9 10 8m 有幾個分子層厚 8 表面 surface 其中的一項為氣體 習(xí)慣 如 氣 固 氣 液 五類界面 氣 液 氣 固 液 固 液1 液2 固1 固2 6 第一節(jié)表面張力表面能 一 表面張力 1 現(xiàn)象 說明 液面上存在沿表面的收縮力作用 這種力只存在于液體表面 2 液面像緊繃的橡皮膜具有彈性 1 液面有收縮到最小的趨勢 液體的表面層中有一種使液面盡可能收縮成最小的宏觀張力 7 表面張力 surfacetension 液體表面有收縮到最小的趨勢 8 從分子運動論觀點說明 分子作用球 在液體內(nèi)部任取一分子A 以A為球心 以分子有效作用半徑R為半徑作一球 稱為分子作用球 球外分子對A無作用力 球內(nèi)分子對A的作用力對稱分布 合力為零 2 表面張力產(chǎn)生的原因 9 從表面層中任取一分子B 其受合力與液面垂直 指向液內(nèi) 這使得表面層內(nèi)的分子與液體內(nèi)部的分子不同 都受一個指向液體內(nèi)部的合力 在這些力作用下 液體表面的分子有被拉進液體內(nèi)部的趨勢 在宏觀上就表現(xiàn)為液體表面有收縮的趨勢 10 任何系統(tǒng)的勢能越小越穩(wěn)定 所以表面層內(nèi)的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢 即液面有收縮的趨勢 這種趨勢在宏觀上就表現(xiàn)為液體的表面張力 表面張力是宏觀力 與液面相切 f 是微觀力 與液面垂直 從能量觀點來分析 把分子從液體內(nèi)部移到表面層 需克服f 作功 外力作功 分子勢能增加 即表面層內(nèi)分子的勢能比液體內(nèi)部分子的勢能大 表面層為高勢能區(qū) 各個分子勢能增量的總和稱為表面能 用E表示 11 二 表面張力系數(shù) 我們想象在液面上畫一條直線段 線段兩側(cè)液面均有收縮的趨勢 即有表面張力作用 該力與液面相切 與線段垂直 指向各自的一方 分別用f和f 表示 這恰為一對作用力與反作用力 f f 為表面張力系數(shù) 數(shù)值上等于單位長度直線段兩側(cè)液面的表面張力 單位 N m 由于線段上各點均有表面張力作用 線段越長 則合力越大 設(shè)線段長為l 則 f l 12 如圖所示 鐵絲框上掛有液膜 表面張力系數(shù)為 將AB邊無摩擦 勻速 等溫地右移 x 在AB邊上加的力為 F 2 l 則在這個過程中外力F所做的功為 其中 S 2l x 是AB向右移動過程中液面面積的增量 外力克服分子間引力做功 表面能增加 若用 E表示表面能增量 則 三 表面張力系數(shù)的測定與表面能增量 表面張力系數(shù)在數(shù)值上等于增加單位液體表面積時 外力所需做的功 或增加單位液體表面積時 表面能的增加 13 表面張力系數(shù)的測定 液滴測定法 A B d 質(zhì)量為m的待測液體吸入移液管 由管口下端緩慢流出 形成袋狀水滴 當(dāng)表面張力不足以支持重力時 水滴下落 則 W f 14 四 影響表面張力系數(shù)的因素 與液體的性質(zhì)有關(guān) 不同液體 值不同 密度小 易揮發(fā)的液體 值較小 如酒精的 值很小 金屬熔化后的 值很大 與相鄰物質(zhì)性質(zhì)有關(guān) 同一液體與不同物質(zhì)交界 值不同 與溫度有關(guān) 溫度升高 值減小 兩者近似呈線性關(guān)系 與液體內(nèi)所含雜質(zhì)有關(guān) 在液體內(nèi)加入雜質(zhì) 液體的表面張力系數(shù)將顯著改變 有的使其 值增加 有的使其 值減小 使 值減小的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì) 15 部分液體的表面張力系數(shù) 16 第二節(jié)彎曲液面內(nèi)外的壓強差 自然界中有許多情況下液面是彎曲的 彎曲液面內(nèi)外存在一壓強差 稱為附加壓強 用Ps表示 附加壓強是由于表面張力存在而產(chǎn)生的 在液體表面上取一小面積 S 由于液面水平 表面張力沿水平方向 S平衡時 其邊界表面張力相互抵消 S內(nèi)外壓強相等 1 水平液面 17 2 彎曲液面 凸液面時 如圖Ds周界上表面張力沿切線方向 合力指向液面內(nèi) Ds好象緊壓在液體上 使液體受一附加壓強ps 由力平衡條件可知 液面下液體的壓強 附加壓強與外部壓強相同為正 相反為負 18 凹液面時 如圖Ds周界上表面張力的合力指向外部 Ds如好象被拉出 液面內(nèi)部壓強小于外部壓強 由力平衡條件可知 液面下液體的壓強 附加壓強使彎曲液面內(nèi)外壓強不等 與液面曲率中心同側(cè)的壓強恒大于另一側(cè) 附加壓強方向恒指向曲率中心 19 3 球冠形液面 已知 呈凸?fàn)畹膹澢好嫔辖爻鲆粋€球冠形小液面 將其周邊界分成許多小段 l 小段 l作用于該小液面上的表面張力大小為 f的方向與 l相切 現(xiàn)將分解成兩個互相垂直的分量 f1 f2 如圖所示 其中 f1的方向指向液面內(nèi)部 f2方向平行于整液面 20 拉普拉斯球面附加壓強公式球形液面附加壓強與表面張力系數(shù)成正比 與球面半徑R成反比 半徑越小 附加壓強越大 半徑越大 附加壓強越小 半徑無限大時 附加壓強等于零 這正是水平液面的情況 21 球形凸液面內(nèi)壓強 球形凹液面內(nèi)壓強 附加壓強PS 由于液面彎曲 因表面張力而產(chǎn)生的 指向彎曲液面曲率中心的壓強 PS并不是某處液體得壓強值P 而是由于有彎曲液面的存在 所產(chǎn)生的壓強的增量值 22 例1 已知某球形液膜的半徑為R 表面張力系數(shù)為 求該球形液膜內(nèi)外壓強差 則 注意 彎曲液面的附加壓強與液面層數(shù)有關(guān) 實際應(yīng)用時要區(qū)分單層液面與雙層液膜 若PA為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓PO 則 23 例2 兩個大小不同且同性質(zhì)的液泡用一連通管聯(lián)通 如果連通管中的閥門打開 會出現(xiàn)什么現(xiàn)象 分析 氣體由A流向B 直到最終A形成一個球冠形液膜 且使得 這時有 24 例3 有一半徑的球形肥皂泡 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓中形成 泡膜的表面張力系數(shù) 問此時泡內(nèi)壓強有多大 分析 設(shè)泡內(nèi)的附加壓強為 則泡內(nèi)壓強為 25 第三節(jié)毛細現(xiàn)象 潤濕 液體沿固體表面延展的現(xiàn)象 稱液體潤濕固體 一 潤濕與不潤濕 不潤濕 液體在固體表面上收縮的現(xiàn)象 稱液體不潤濕固體 潤濕 不潤濕與相互接觸的液體 固體的性質(zhì)有關(guān) 水 玻璃 潤濕 水 石蠟 不潤濕 1 現(xiàn)象 26 2 潤濕與不潤濕的物理過程 1 附著層 固液接觸處 厚度等R的一層液體 2 附著層內(nèi)分子受力與液面形狀 27 3 定量描述 1 接觸角固液接觸處 固體表面與液體表面的切線在液體內(nèi)部形成的角 2 潤濕 完全潤濕 不潤濕 完全不潤濕 28 4 摻雜對接觸角的影響 1 潤濕劑 清潔劑 使減小 2 防水劑 使增大 5 典型的潤濕與不潤濕現(xiàn)象 1 純水潤濕潔凈的玻璃 水銀潤濕潔凈的鋅板銅板或鐵板 2 純水不潤濕石蠟 水銀不潤濕玻璃 29 二 毛細現(xiàn)象 潤濕管壁的液體在細管里升高 不潤濕管壁的液體在細管里下降的現(xiàn)象 1 現(xiàn)象 水 玻璃管液面上升 水銀 玻璃管液面下降 2 本質(zhì) 毛細管剛插入水中時 管內(nèi)液面為凹液面 PC P0 PB P0 PB PC 根據(jù)流體靜力學(xué)原理 靜止流體同高的壓強應(yīng)該相等 B C為等高點 但PB PC 所以液體不能靜止 管內(nèi)液面將上升 直至PB PC為止 30 3 管內(nèi)液面上升 或下降 的高度 由圖 當(dāng) 設(shè)毛細管半徑為r 則 31 4 毛細現(xiàn)象的應(yīng)用 懸著水 水沿土壤顆粒間隙形成的毛細管上升 叫毛細管上升水 土壤中的毛細管起著分配 保持土壤中的水分作用 土壤毛細管中存在的水叫懸著水 其在土壤毛細管中能保持的原因是 當(dāng)土壤溫度變化時 懸著水兩端溫度不同 溫度高的一端 值減小 導(dǎo)致該端Ps減小 使懸著水向溫度低處移動 32 5 毛細現(xiàn)象的延伸 氣體栓塞 舉例 病人輸液 潛水員由深水上浮 植物高溫下枯萎 如圖 毛細管中有一段液體 液體左右兩端壓強相等 形成對稱的彎液面 欲使液柱向右移動 則在左側(cè)加一壓強 P 這時兩側(cè)液面形狀改變 右側(cè)曲率半徑增大 左側(cè)曲率半徑減小 產(chǎn)生向左的附加壓強差來抵抗 P 當(dāng) P達到一定程度時 液柱才能移動 當(dāng)毛細管中有很多氣泡 則外加幾個大氣壓都不能使液柱移動 形成栓塞 稱氣體栓塞現(xiàn)象 33 第四節(jié)表面吸附和表面活性物質(zhì) 一 表面活性物質(zhì) 1 表面層收縮趨勢越大 液體的表面張力系數(shù)越大 2 能夠減小液體表面張力系數(shù)的物質(zhì)稱為該液體的表面活性物質(zhì)水的表面活性物質(zhì)有 膽鹽 卵磷脂 肥皂 有機酸 3 能夠增大液體表面張力系數(shù)的物質(zhì)稱為該液體的表面非活性物質(zhì)水的表面非活性物質(zhì)有 氯化鈉 淀粉 糖類 4 表面活性物質(zhì)和表面非活性物質(zhì)是相對的 對某種液體是表面活性物質(zhì) 對另一種液體則可能是表面非活性物質(zhì) 34 二 表面吸附 保持液滴形狀 伸展開成一薄膜 表面吸附現(xiàn)象 能夠使溶液表面張力減小的溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì) 固體吸附 吸附度 舉例 白陶土 活性炭 凈水器 35 探討肺泡表面活性物質(zhì)在肺呼吸過程中的作用 肺位于胸腔內(nèi) 支氣管在肺內(nèi)分成許多小支氣管 每個小支氣管末端附有很多小氣囊 稱為肺泡 肺泡腔里是氣體 肺泡壁則有一層液體 這樣就構(gòu)成了氣液交界面 同時會在氣液界面上存在向肺泡中心回縮的表面張力 若每個肺泡內(nèi)氣液界面的表面張力系數(shù)相同 小肺泡內(nèi)的壓強大于大肺泡內(nèi)的壓強 有可能使小肺泡萎縮 大肺泡膨脹 但這種情況在肺內(nèi)并沒有出現(xiàn) 原因就是表面活性物質(zhì)的作用 肺泡表面液層中分布有一定量的 由肺泡II型細胞分泌的一種脂蛋白 它可起降低表面張力系數(shù)的作用 36 二 肺泡的活動 吸氣時 肺泡擴張 表面積增加 表面活性物質(zhì)濃度減小 表面張力系數(shù)增加 附加壓強相對增加 保證肺泡不過分?jǐn)U大 呼氣時 肺泡縮小 表面積減小 表面活性物質(zhì)濃度增加 表面張力系數(shù)減小 附加壓強相對減小 保證肺泡不過分萎縮 肺泡大小變化時 表面活性物質(zhì)的濃度隨之改變 起著調(diào)節(jié)表面張力大小的作用 以至于保持肺泡大小變化不大 另外還穩(wěn)定大小肺泡中的壓強 不至于連通的肺泡中大肺泡變大 小肺泡縮小 37 注意 大小泡問題 第三章學(xué)習(xí)要點 一 表面張力1 概念 表面張力系數(shù)的定義2 影響表面張力系數(shù)的因素 大小 單層液面雙層液膜 二 彎曲液面的附加壓強方向 指向彎曲液面的曲率中心 38 三 潤濕不潤濕 毛細現(xiàn)象 2 毛細現(xiàn)象 注意 r 毛細管半徑 中的 彎曲液面的曲率半徑 39 練習(xí) 1 使液體表面張力系數(shù)減小的途徑是或 2 已知某液體表面張力系數(shù)為 則恰好能把一個半徑為R的細金屬圓環(huán)從液體中拉出需用力為 3 一個半徑為2 00 10 2m的肥皂泡它的內(nèi)外壓強差為 如果溫度升高 此壓強差將 a 25 0 10 3N m 4 兩根材料相同的毛細管插入同一液體中 液面上升高度比為 2 3 兩毛細管半徑比 40 5 兩個相同的毛細管 一個插在水里 水上升高度為 另一個插在酒精里 酒精上升高度為 管子插入時都是鉛直的 表面張力系數(shù) 73 10 3N m 22 10 3N m 酒精密度 0 8g cm 設(shè)兩種液體接觸角 0 則 為 41 作業(yè) 53頁習(xí)題4 34 44 54 6 42 ThankYou 43 練習(xí) 升溫 摻入表面活性物質(zhì) 1 使液體表面張力系數(shù)減小的途徑是或 2 已知某液體表面張力系數(shù)為 則恰好能把一個半徑為R的細金