液體的表面性質(zhì)ppt課件VIP

.,液體的表面現(xiàn)象,醫(yī)用物理學(xué),教學(xué)內(nèi)容：了解產(chǎn)生液體表面現(xiàn)象的微觀機(jī)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(qiáng)公式理解潤濕與不潤濕現(xiàn)象、毛細(xì)現(xiàn)象了解肺泡的壓強(qiáng)、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,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。,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(jìn)一步解釋,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。,7、界面（interface）：密切接觸的兩相間的過渡區(qū)，約10-910-8m，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,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。,表面張力（surfacetension）,液體表面有收縮到最小的趨勢,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,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(jìn)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。,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。,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。,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=2l，則在這個過程中外力F所做的功為:,其中S=2lx,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。,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,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)。,部分液體的表面張力系數(shù),第二節(jié)彎曲液面內(nèi)外的壓強(qiáng)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(qiáng)差，稱為附加壓強(qiáng),用Ps表示。附加壓強(qiáng)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(qiáng)相等：,1.水平液面,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(qiáng)ps,由力平衡條件可知，液面下液體的壓強(qiáng)：,附加壓強(qiáng)與外部壓強(qiáng)相同為正，相反為負(fù)。,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(qiáng)小于外部壓強(qiáng)，由力平衡條件可知，液面下液體的壓強(qiáng)：,附加壓強(qiáng)使彎曲液面內(nèi)外壓強(qiáng)不等，與液面曲率中心同側(cè)的壓強(qiáng)恒大于另一側(cè)，附加壓強(qiáng)方向恒指向曲率中心,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,拉普拉斯球面附加壓強(qiáng)公式球形液面附加壓強(qiáng)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(qiáng)越大；半徑越大，附加壓強(qiáng)越??；半徑無限大時，附加壓強(qiáng)等于零，這正是水平液面的情況。,球形凸液面內(nèi)壓強(qiáng),球形凹液面內(nèi)壓強(qiáng),附加壓強(qiáng)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(qiáng)，PS并不是某處液體得壓強(qiáng)值P，而是由于有彎曲液面的存在，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)的增量值。,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(qiáng)差,則,注意：彎曲液面的附加壓強(qiáng)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,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,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(qiáng)有多大？（）,分析：設(shè)泡內(nèi)的附加壓強(qiáng)為，則泡內(nèi)壓強(qiáng)為,第三節(jié)毛細(xì)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,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,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,4、摻雜對接觸角的影響,（1）潤濕劑、清潔劑：使減?。?）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,二、毛細(xì)現(xiàn)象,潤濕管壁的液體在細(xì)管里升高，不潤濕管壁的液體在細(xì)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(xì)管剛插入水中時，管內(nèi)液面為凹液面，PC=P0,PBP0,PBPC,根據(jù)流體靜力學(xué)原理，靜止流體同高的壓強(qiáng)應(yīng)該相等，B、C為等高點，但PBPC，所以液體不能靜止，管內(nèi)液面將上升，直至PB=PC為止,3、管內(nèi)液面上升（或下降）的高度,由圖,當(dāng)：,設(shè)毛細(xì)管半徑為r,則,4、毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用-懸著水,水沿土壤顆粒間隙形成的毛細(xì)管上升，叫毛細(xì)管上升水。土壤中的毛細(xì)管起著分配、保持土壤中的水分作用。土壤毛細(xì)管中存在的水叫懸著水，其在土壤毛細(xì)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。,5、毛細(xì)現(xiàn)象的延伸-氣體栓塞,舉例:病人輸液；潛水員由深水上??；植物高溫下枯萎。,如圖，毛細(xì)管中有一段液體，液體左右兩端壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)差來抵抗P,當(dāng)P達(dá)到一定程度時，液柱才能移動。,當(dāng)毛細(xì)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。,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(jī)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),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。,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(qiáng)大于大肺泡內(nèi)的壓強(qiáng)，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(xì)胞分泌的一種脂蛋白，它可起降低表面張力系數(shù)的作用。,二、肺泡的活動,吸氣時，肺泡擴(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)，不至于連通的肺泡中大肺泡變大，小肺泡縮小。,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(qiáng)方向：指向彎曲液面的曲率中心,三、潤濕不潤濕、毛細(xì)現(xiàn)象,2、毛細(xì)現(xiàn)象,注意：,r：毛細(xì)管半徑，,中的：彎曲液面的曲率半徑。,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(xì)金屬圓環(huán)從液體中拉出需用力為。,3、一個半徑為2.00102m的肥皂泡它的內(nèi)外壓強(qiáng)差為，如果溫度升高，此壓強(qiáng)差將。（a=25.0103N/m）,4、兩根材料相同的毛細(xì)管插入同一液體中，液面上升高度比為=23，兩毛細(xì)管半徑比。,5、兩個相同的毛細(xì)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)=7310-3N/m，=2210-3N/m，酒精密度=0.8g/cm，設(shè)兩種液體接觸角=0，則：為。,作業(yè)：,53頁習(xí)題4-34-44-54-6,.,ThankYou!,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