液體的表面現(xiàn)象2015

1、主講教師：主講教師：境自遠塵皆入詠 物含妙理總堪尋3 3了解肺表面活性物質(zhì)，毛了解肺表面活性物質(zhì)，毛細現(xiàn)象和氣體栓塞現(xiàn)象。細現(xiàn)象和氣體栓塞現(xiàn)象。新生兒新生兒液體的表面存在一種使液面收縮成最小趨勢的力，液體的表面存在一種使液面收縮成最小趨勢的力，此力稱為此力稱為表面張力表面張力（surface tension )。 一、表面張力一、表面張力體積相同的各種形狀中，體積相同的各種形狀中，球形的表面積最小球形的表面積最小。 液體表面液體表面像像張緊的彈性膜一樣，具有張緊的彈性膜一樣，具有收縮的趨勢收縮的趨勢。 注意注意為什么會產(chǎn)生為什么會產(chǎn)生表面張力呢？表面張力呢？ 的的一一層層稱稱為為液液體體的的表

2、表面面層。層。表面張力的微觀本質(zhì)是：表面張力的微觀本質(zhì)是： 表面層分子之間相互作用力的不對稱性引起的。表面層分子之間相互作用力的不對稱性引起的。說明：說明：力的作用是均力的作用是均勻分布的，力的方向與勻分布的，力的方向與液面液面相切相切；液面收縮至最小液面收縮至最小。垂垂直，直，并并與與液液面面相相切。切。若若液液面面為為平平面，面，表表面面張張力力就就在在平平面面內(nèi)，內(nèi)，若若液液面面為為曲曲面，面，表表面面張張力力就就在在曲曲面面的的切切面面上。上。FFLFLF/L )/(mN是反映液體表面性質(zhì)的重要物理量。是反映液體表面性質(zhì)的重要物理量。LF表示單位長度直線兩邊液面的相互作用拉力。表示單位

3、長度直線兩邊液面的相互作用拉力。P P7070的表的表5-15-1列出了一些液體的值，需用時可自行查閱。列出了一些液體的值，需用時可自行查閱。表面張力系數(shù)的基本性質(zhì)表面張力系數(shù)的基本性質(zhì)（1 1）不同）不同種類種類液體的表面張力系數(shù)不同，密度小、容易蒸液體的表面張力系數(shù)不同，密度小、容易蒸 發(fā)的液體表面張力系數(shù)小。發(fā)的液體表面張力系數(shù)小。（2 2）同一種液體的表面張力系數(shù)與）同一種液體的表面張力系數(shù)與溫度溫度有關，溫度越高，有關，溫度越高， 表面張力系數(shù)越小。表面張力系數(shù)越小。（3 3）液體表面張力系數(shù)與）液體表面張力系數(shù)與相鄰物質(zhì)的性質(zhì)相鄰物質(zhì)的性質(zhì)有關。有關。（4 4）表面張力系數(shù)與）表面

4、張力系數(shù)與液體中的雜質(zhì)液體中的雜質(zhì)有關。有關。分子作用半徑分子作用半徑表面層表面層概念：概念：分子作用球分子作用球表面張力的微觀本質(zhì)表面張力的微觀本質(zhì)是表面層分子之間相互作用力的不對稱是表面層分子之間相互作用力的不對稱性引起的。性引起的。從從能量的角度能量的角度來解釋表面張力存在的原因。來解釋表面張力存在的原因。分別以液體表面層分子分別以液體表面層分子A 和內(nèi)和內(nèi)部分子部分子B為球心、分子有效作用距為球心、分子有效作用距離為半徑作球（離為半徑作球（分子作用球分子作用球）。）。對于液體內(nèi)部分子對于液體內(nèi)部分子 B ，分子作用，分子作用球內(nèi)液體分子的分布是球內(nèi)液體分子的分布是對稱的對稱的；ABB

5、從統(tǒng)計上講，其受力情況也是對稱的，從統(tǒng)計上講，其受力情況也是對稱的，所以沿各個方向運動的可能性相等。所以沿各個方向運動的可能性相等。對于液體表面層的分子對于液體表面層的分子 A，分子作用球中有，分子作用球中有一部分在液體表面以外，分子作用球內(nèi)下部液體分一部分在液體表面以外，分子作用球內(nèi)下部液體分子密度大于上部；子密度大于上部；當液體內(nèi)部分子移動到表面層中時，就要克服上述指向液當液體內(nèi)部分子移動到表面層中時，就要克服上述指向液體內(nèi)部的分子引力作功，這部分功將轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿酉嗷プ饔玫膭蒹w內(nèi)部的分子引力作功，這部分功將轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿酉嗷プ饔玫膭菽堋Ｋ阅?。所以液體表面層分子比液體內(nèi)部分子的相互作用勢能大液體

6、表面層分子比液體內(nèi)部分子的相互作用勢能大。 統(tǒng)計平均效果統(tǒng)計平均效果所受合外力指向液體內(nèi)部所受合外力指向液體內(nèi)部，因，因此有向液體內(nèi)部運動的趨勢。此有向液體內(nèi)部運動的趨勢。AfLA 由于系統(tǒng)的勢能有減小到最小的趨勢，由于系統(tǒng)的勢能有減小到最小的趨勢， 因此因此表面層內(nèi)的分子有進入液體內(nèi)部的趨勢。表面層內(nèi)的分子有進入液體內(nèi)部的趨勢。 在沒有外力影響下，液體應處于表面積最小在沒有外力影響下，液體應處于表面積最小的狀態(tài)。這就是液面有收縮趨勢的微觀本質(zhì)的狀態(tài)。這就是液面有收縮趨勢的微觀本質(zhì)從從力的角度力的角度看，就是有表面張力存在。看，就是有表面張力存在。 反之，要增加液體的表面積，就要做功把更多的液

7、體反之，要增加液體的表面積，就要做功把更多的液體分子提到表面上來，從而增加了液體的表面勢能。我們把分子提到表面上來，從而增加了液體的表面勢能。我們把增加單位液體表面積外力所做的功稱為增加單位液體表面積外力所做的功稱為液體的表面能液體的表面能(surface energy)(surface energy)。液體液體的表面能的表面能F 做功為：做功為：xFAxL 2SS 指的是這一過程中液體表面積的增量，指的是這一過程中液體表面積的增量，所以：所以：SA 表示表示增加單位表面積時，外力所需做的功。增加單位表面積時，外力所需做的功。LF2從做功的角度定義：從做功的角度定義：從表面能的角度定義：從表面

8、能的角度定義：由能量守恒定律，外力由能量守恒定律，外力 F 所做的功完全用于克服表面張力，從所做的功完全用于克服表面張力，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槎D(zhuǎn)變?yōu)橐耗さ谋砻婺芤耗さ谋砻婺?E 儲存起來，即：儲存起來，即：SAESE表面張力系數(shù)的三種表述表面張力系數(shù)的三種表述 )/(mNLF 大小等于作用在單位長大小等于作用在單位長度邊界線上的表面張力。度邊界線上的表面張力。 大小等于增加單位液體表面積外力所作的功。大小等于增加單位液體表面積外力所作的功。 )/(=2mJSSSA )/(=2mJSSSE-10.0250N m液解：解：根據(jù)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作的功，得 JRSA52321

9、028. 601. 014. 38100 .2542答：答：. 對于彎曲液面來說，由于對于彎曲液面來說，由于液體表面張力液體表面張力的存在，的存在，在靠近液面的兩側(cè)就形成一壓強差在靠近液面的兩側(cè)就形成一壓強差P 。彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強ffP0P1=P0s 水平液面水平液面100PPPPP外內(nèi)P內(nèi)內(nèi)為液面內(nèi)側(cè)的壓強，為液面內(nèi)側(cè)的壓強，P外外為液面外側(cè)的壓強。為液面外側(cè)的壓強。PPP 外內(nèi)10PPSfPP合合02合合ffsP0PP2 凹形液面凹形液面PP303PSfP合合表面張力的合力方向不同，決定了是表面張力的合力方向不同，決定了是P0還是還是P0 凸形液面凸形液面f合合fffP

10、0s=P0+P=P0-P200PPP 300PPP表面張力產(chǎn)生的附加壓強表面張力產(chǎn)生的附加壓強： 通過推導，一個曲率半徑為R，表面張力系數(shù)為的彎曲液面的附加壓強為： S2PR 對凸液面來說，液體表面內(nèi)的壓強大于液體表面外的壓強，附加壓強是正值； 對凹液面來說，液體表面內(nèi)的壓強小于液體表面外的壓強，附加壓強是負值。 拉普拉斯定律拉普拉斯定律RRR21解：分析解：分析 肥皂泡內(nèi)外有兩個液面，肥皂泡內(nèi)外有兩個液面，B、C間的液面是凸液面，間的液面是凸液面，A、B間的液面是凹間的液面是凹液面，根據(jù)附加壓強公式，肥皂泡內(nèi)外的液面，根據(jù)附加壓強公式，肥皂泡內(nèi)外的壓強差壓強差CBBACAPPPPPP)()(

11、CBBAPPPPRRR422 球面附加壓強對了解肺泡的物理性質(zhì)和呼吸球面附加壓強對了解肺泡的物理性質(zhì)和呼吸過程是很重要的。過程是很重要的。 S2PR一、表面活性物質(zhì)一、表面活性物質(zhì) 能使溶液表面張力系數(shù)減小的物質(zhì)稱為能使溶液表面張力系數(shù)減小的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)（surfactant)surfactant) 。 能使溶液表面張力系數(shù)增大的物質(zhì)稱為能使溶液表面張力系數(shù)增大的物質(zhì)稱為表面非活性物質(zhì)表面非活性物質(zhì)。 表面活性物質(zhì)在溶液的表面聚集，并伸展成薄膜，這種表面活性物質(zhì)在溶液的表面聚集，并伸展成薄膜，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為表面吸附表面吸附（surface adsorption） 。二

12、、肺表面活性物質(zhì)二、肺表面活性物質(zhì)小肺泡小肺泡大肺泡大肺泡小肺泡小肺泡RR22使使缺乏肺表面活性物質(zhì)的相關疾病缺乏肺表面活性物質(zhì)的相關疾病： 新生兒呼吸窘迫綜合征、新生兒呼吸窘迫綜合征、 窒息窒息 、肺水腫、肺水腫、 毛細支毛細支氣管梗阻性肺炎、紫喘等。氣管梗阻性肺炎、紫喘等。 附著層：附著層：在在液體與固體液體與固體接觸面上厚度為液體分子有效作用半接觸面上厚度為液體分子有效作用半徑的液體層。徑的液體層。是由附著層分子力引起的是由附著層分子力引起的潤濕潤濕不潤濕不潤濕內(nèi)聚力：內(nèi)聚力：液體內(nèi)部分子對附著層內(nèi)液體分子的吸引力液體內(nèi)部分子對附著層內(nèi)液體分子的吸引力附著力：附著力：固體分子對附著層內(nèi)液

13、體分子的吸引力固體分子對附著層內(nèi)液體分子的吸引力潤濕和不潤濕決定于潤濕和不潤濕決定于液體和固體的性質(zhì)液體和固體的性質(zhì)。內(nèi)聚力內(nèi)聚力大于大于附著力附著力A不潤濕不潤濕內(nèi)聚力內(nèi)聚力小于小于附著力附著力A潤濕潤濕f f 液體對固體的潤濕程度由液體對固體的潤濕程度由接觸角接觸角來表示。來表示。接觸角：接觸角：在液、固體接觸時，固體表面在液、固體接觸時，固體表面經(jīng)過液體內(nèi)部經(jīng)過液體內(nèi)部與液體表與液體表面所夾的角。面所夾的角。通常用通常用q q 來表示。來表示。液體液體潤濕潤濕固體；固體；當當 時，時，2q當當 時，時，2q液體液體不潤濕不潤濕固體；固體；當當 時，時，0q液體液體完全潤濕完全潤濕固體；固

14、體；當當 時，時，q液體液體完全不潤濕完全不潤濕固體；固體；q q潤濕潤濕q q不潤濕不潤濕Af 將細的管插入液體中，如果液體潤濕管壁，液面成凹將細的管插入液體中，如果液體潤濕管壁，液面成凹液面，液體將在管內(nèi)升高；如果液體不潤濕管壁，液面成液面，液體將在管內(nèi)升高；如果液體不潤濕管壁，液面成凸液面，液體將在管內(nèi)下降。這種現(xiàn)象稱為凸液面，液體將在管內(nèi)下降。這種現(xiàn)象稱為毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象。hh能夠產(chǎn)生毛細現(xiàn)象的細管稱為能夠產(chǎn)生毛細現(xiàn)象的細管稱為毛細管毛細管。1、毛細現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、毛細現(xiàn)象產(chǎn)生的原因毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象是由于是由于液體表面張力液體表面張力和和潤濕或不潤濕現(xiàn)象潤濕或不潤濕現(xiàn)象共共同作用同作用

15、引起引起的。的。 如果如果液體對固體潤濕液體對固體潤濕，則接觸角為則接觸角為銳角銳角。 固固體體液體液體h如果如果液體對固體不潤濕液體對固體不潤濕，則接觸角為則接觸角為鈍角鈍角。 固固體體液體液體h 容器口徑非常小，附加壓強的存容器口徑非常小，附加壓強的存在將使在將使管內(nèi)液面升高管內(nèi)液面升高，產(chǎn)生，產(chǎn)生毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象。 容器口徑很小，附加壓強的存在容器口徑很小，附加壓強的存在將使將使管內(nèi)液面降低管內(nèi)液面降低，產(chǎn)生，產(chǎn)生毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象。2、毛細管中液面上升或下降的高度、毛細管中液面上升或下降的高度如圖，一截面半徑為如圖，一截面半徑為 r 的毛細圓管，液體潤的毛細圓管，液體潤濕管壁，接觸角為濕

16、管壁，接觸角為q q 。設管內(nèi)液面為一半徑為設管內(nèi)液面為一半徑為 R 的凹球面。的凹球面。qcosRr 由幾何關系可知：由幾何關系可知：RABCr0Phq q附加壓強為：附加壓強為：rPPCqcos20ghPPABghrPPBqcos20得：得：又又0PPPABgrhqcos2最終得出：最終得出： 潤濕管壁的液體在毛細管中上升的高度與液體的表面潤濕管壁的液體在毛細管中上升的高度與液體的表面張力系數(shù)成正比，與毛細管的截面半徑成反比。張力系數(shù)成正比，與毛細管的截面半徑成反比。若液體不潤濕管壁，則若液體不潤濕管壁，則q2h可得：可得： 為負值，管內(nèi)液面為負值，管內(nèi)液面下降下降。grhqcos2第七章

17、第七章 分子動論分子動論 如果讓細管中的液體流動起來，液體表面會有什么變化呢？如果讓細管中的液體流動起來，液體表面會有什么變化呢？如圖所示的實驗裝置，當活塞不施加壓強如圖所示的實驗裝置，當活塞不施加壓強（ 假設活塞下的氣柱中壓強為大氣壓假設活塞下的氣柱中壓強為大氣壓P0 ）時，即）時，即grhqcos2給活塞施加壓強并逐漸增大，發(fā)現(xiàn)給活塞施加壓強并逐漸增大，發(fā)現(xiàn)當施加的當施加的壓強很小時，液面并不降低壓強很小時，液面并不降低，只是液面的曲率半，只是液面的曲率半徑變小了。徑變小了。只有當壓強增加到一定程度液面才下降。只有當壓強增加到一定程度液面才下降。氣體栓塞現(xiàn)象：氣體栓塞現(xiàn)象：當液體在毛細管中

18、流動時，如果管中出當液體在毛細管中流動時，如果管中出現(xiàn)氣泡，液體的流動會受阻，如果氣泡產(chǎn)生得多了，就現(xiàn)氣泡，液體的流動會受阻，如果氣泡產(chǎn)生得多了，就會堵住毛細管，使液滴不能流動。這種現(xiàn)象稱為氣體栓會堵住毛細管，使液滴不能流動。這種現(xiàn)象稱為氣體栓塞現(xiàn)象。塞現(xiàn)象。PP左左P左左 P右右PPPP右右P左左P左左 = P右右PPP右右P左左P左左P右右P右右nPPP P氣體栓塞現(xiàn)象的危害：氣體栓塞現(xiàn)象的危害：（1 1）靜脈注射或肌肉注射時要將針管中的氣體排除后再注射）靜脈注射或肌肉注射時要將針管中的氣體排除后再注射；（2 2）當環(huán)境氣壓突然降低時，人體血管中溶解的氣體因為溶）當環(huán)境氣壓突然降低時，人體血管中溶解的氣體因為溶 解度下降而析出形成氣泡；解度下降而析出形成氣泡；比如比如: :潛水員從深海迅速上升到水面時容易造成血栓而致命。潛水員從深海迅速上升到水面時容易造成血栓而致命。（3 3）在溫度升高時，植物體內(nèi)的水分也會析出氣體，形成氣）在溫度升高時，植物體內(nèi)的水分也會析出氣體，形成氣 泡堵塞毛細管，使部分枝葉的水分或營養(yǎng)缺乏而枯萎。泡堵塞毛細管，使部分枝葉的水分或營養(yǎng)缺乏而枯萎。減壓艙減壓艙 1.1.為什么有些昆蟲能浮于水面上而不下沉？為什么有些昆蟲能浮于水面上而不下沉？2.2.為什么只有彎曲的液面才能產(chǎn)生附加壓強？為什么只有彎曲的液面才能產(chǎn)生附加壓強？3