表面張力與表面能

1、一、表面張力和表面能一、表面張力和表面能1 1、表面與表面層：、表面與表面層：液體表面液體表面: : 液體與氣體或固體的接觸面。液體與氣體或固體的接觸面。第四章第四章分子動(dòng)理論分子動(dòng)理論 第五節(jié)第五節(jié) 液體的表面性質(zhì)液體的表面性質(zhì)Water dropwaterrmr810r液體表面層：液體表面下厚度等于分子作用球半徑的一層液液體表面層：液體表面下厚度等于分子作用球半徑的一層液層。層。液體的表面現(xiàn)象例子液體的表面現(xiàn)象例子:液面液面面積有縮小到最小值的趨勢(shì)。面積有縮小到最小值的趨勢(shì)。液面液面宏觀上表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈宏觀上表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜而具有張力。性薄膜而具有張力。斥力斥力 引力引力斥

2、力斥力 引力引力斥力斥力= = 引力引力r r0rr分子作用分子作用球半徑球半徑無(wú)分子力無(wú)分子力分子作用球半徑：分子作用球半徑： r= 10-8m( (平衡位置平衡位置: : r r0 0=10=10-10-10 m) m)從分子間的相互作用力從分子間的相互作用力f 分析表面張力的產(chǎn)生：分析表面張力的產(chǎn)生：r空氣空氣液體液體ACB表面層表面層A A是液內(nèi)分子；是液內(nèi)分子；B B和和C C是液體表面層分子。是液體表面層分子。液內(nèi)分子液內(nèi)分子A A受力分析：受力分析：A A分子受到的分子作用力的合力為零：分子受到的分子作用力的合力為零： f fi i=0=0表面層分子表面層分子B B和和C C的受

3、力分析：的受力分析：處于表面層的分子受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的分子吸引處于表面層的分子受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的分子吸引力作用；宏觀上表面層表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜。力作用；宏觀上表面層表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜。lf lf)/(mNlf 由于液面處于緊張狀態(tài)，在液面上存在由于液面處于緊張狀態(tài)，在液面上存在著起收縮作用的表面張力。這些著起收縮作用的表面張力。這些表面張力的表面張力的方向方向都與液面相切，并且與線段都與液面相切，并且與線段ABAB 垂直；垂直；它們大小相等，方向相反，分別作用在兩部它們大小相等，方向相反，分別作用在兩部分液面上。分液面上。 實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明: : 表面張力的大小表面張力

4、的大小正比于正比于線段線段ABAB的長(zhǎng)度。的長(zhǎng)度。表面張力系數(shù)：表面張力系數(shù)：2.2.表面張力表面張力f ff fABl液體薄膜液體薄膜ABCDf2l表面張力的測(cè)定：表面張力的測(cè)定：lf2平衡時(shí)：平衡時(shí)：* *表面張力系數(shù)：表面張力系數(shù)：lf2（1 1）表面張力系數(shù)是液體本身的固有性，與液體的種類相關(guān)。）表面張力系數(shù)是液體本身的固有性，與液體的種類相關(guān)。（2 2）與液體的溫度有關(guān)。溫度愈高，液體的表面張力系數(shù)愈小。）與液體的溫度有關(guān)。溫度愈高，液體的表面張力系數(shù)愈小。（3 3）與液體的純度有關(guān)。）與液體的純度有關(guān)。（4 4）與相鄰的介質(zhì)有關(guān)。）與相鄰的介質(zhì)有關(guān)。 l液體薄膜液體薄膜ABCDF2

5、lfxS增加單位表面積所作的功：增加單位表面積所作的功：SWxlxf2lf2DC3.表面張力系數(shù)與表面能：表面張力系數(shù)與表面能：).(222mJll 表面張力系數(shù)等表面張力系數(shù)等于液體增加單位表面于液體增加單位表面積所作的功。積所作的功。表面張力系數(shù)表：表面張力系數(shù)表：不不同同液液體體與與空空氣氣接接觸觸時(shí)時(shí)的的表表面面張張力力系系數(shù)數(shù) 液液體體 溫溫度度（oc） （J J/ /m m2 2或或N N/ /m m） 丙丙酮酮 20 00237 甲甲醇醇 20 00226 苯苯 20 00228 氯氯仿仿 20 00271 甘甘油油 20 00634 水水銀銀 15 0487 肥肥皂皂液液 20

6、 0025 溴溴化化鈉鈉 熔熔點(diǎn)點(diǎn) 0103 水水 0 00756 水水 20 00728 水水 30 00712 水水 100 0。0589 平面液面：平面液面：空氣空氣水水P0P P液內(nèi)液內(nèi)P液內(nèi)液內(nèi)=P0彎曲球面液面：彎曲球面液面：P0P P液內(nèi)液內(nèi)水水由于表面張力由于表面張力f f產(chǎn)生附加的壓強(qiáng)產(chǎn)生附加的壓強(qiáng)P P附附, ,所以所以P P液內(nèi)液內(nèi) P P0 0P附附ff二二. 由表面張力解釋如下液面現(xiàn)象由表面張力解釋如下液面現(xiàn)象:P0P P液內(nèi)液內(nèi)水水P附附ff凹面凹面 凸面凸面 1.1.彎曲液面的附加壓強(qiáng)彎曲液面的附加壓強(qiáng)Rfsr=RsinO球冠底面積球冠底面積：2)sin(RA 2

7、2sinR222sinsin2RRAfsvR20shf表面張力的垂直分量表面張力的垂直分量: :sinssvffsin)2(r2sin)2(Rsinssvff表面張力的水平分量相互抵消表面張力的水平分量相互抵消: :shfA)2(rfs球冠的表面張力球冠的表面張力: :表面張力產(chǎn)生的附表面張力產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)加壓強(qiáng): :oPP ioPP i02oRPPPis02oRPPPisRAfPPPsvois2凹面凹面 : :凸面凸面 : :P0PiPSffP0PiPSff凹面凹面 凸面凸面 AfPPsvioAfPPsvoiRAfPPPsvois212RPPABRRRPPAC42221對(duì)外表面：對(duì)外表面：對(duì)

8、內(nèi)表面：對(duì)內(nèi)表面：R1R2(R1=R2=R)22RPPCB肥皂泡肥皂泡球形液膜的附加壓強(qiáng)：球形液膜的附加壓強(qiáng)：演示實(shí)驗(yàn)：（大泡小泡）演示實(shí)驗(yàn)：（大泡小泡）P0對(duì)大泡對(duì)大泡：對(duì)小泡：對(duì)小泡：因?yàn)橐驗(yàn)?R R1 1 R R2 2，所以所以 P P1 1 f f內(nèi)內(nèi)時(shí)，時(shí)，附著層擴(kuò)展，附著層擴(kuò)展，液體浸濕固體；液體浸濕固體；f f附附不浸濕現(xiàn)象：不浸濕現(xiàn)象：當(dāng)當(dāng)f f附附 90900 0 90900 0水水玻璃玻璃玻璃玻璃水銀水銀水銀水銀水水. .毛細(xì)現(xiàn)象：毛細(xì)現(xiàn)象： 液體浸濕毛細(xì)管壁時(shí)，管內(nèi)液面上升；液體不浸濕毛細(xì)液體浸濕毛細(xì)管壁時(shí)，管內(nèi)液面上升；液體不浸濕毛細(xì)管壁時(shí)，管內(nèi)液面下降管壁時(shí)，管內(nèi)液面

9、下降 。A AB Bh hC C液面上升的液面上升的原因原因: : P PB B P PA A平衡時(shí)，平衡時(shí)，P PB B = = P PA AR Rr rgrgRhcos22( (當(dāng)當(dāng) = =90900 0時(shí)時(shí), ,為完全浸濕。為完全浸濕。) )ghRPPB200PPAcosRr ( (對(duì)于下降同樣適用對(duì)于下降同樣適用) )毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用：毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用：臨床應(yīng)用：臨床應(yīng)用：1 1、外科用脫脂棉來(lái)擦拭創(chuàng)面的污液。、外科用脫脂棉來(lái)擦拭創(chuàng)面的污液。 2 2、普通手術(shù)縫合線要經(jīng)過(guò)蠟處理。、普通手術(shù)縫合線要經(jīng)過(guò)蠟處理。藥學(xué)應(yīng)用：藥學(xué)應(yīng)用：1 1、藥物除濕及新鮮藥材的除水大多需通過(guò)藥材內(nèi)、藥物除濕及新

10、鮮藥材的除水大多需通過(guò)藥材內(nèi) 毛細(xì)管才能氣化。毛細(xì)管才能氣化。 2 2、口服片劑后，片劑被浸潤(rùn)后通過(guò)毛細(xì)管作用使、口服片劑后，片劑被浸潤(rùn)后通過(guò)毛細(xì)管作用使 水分進(jìn)入片劑，利于人體對(duì)藥物的吸收。水分進(jìn)入片劑，利于人體對(duì)藥物的吸收。日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾紙吸墨水、煤油燈、日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾紙吸墨水、煤油燈、 植物吸收和運(yùn)輸水分等。植物吸收和運(yùn)輸水分等。 * *液體在細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，如果管中有氣泡，液體的流液體在細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，如果管中有氣泡，液體的流動(dòng)將受到阻礙，氣泡多時(shí)可發(fā)生阻塞，這種現(xiàn)象叫氣體動(dòng)將受到阻礙，氣泡多時(shí)可發(fā)生阻塞，這種現(xiàn)象叫氣體栓塞。栓塞。3 3、氣體栓塞、氣體

11、栓塞 (gas embolism)* * 潤(rùn)濕現(xiàn)象。潤(rùn)濕現(xiàn)象。* * 細(xì)管中有氣泡：細(xì)管中有氣泡：靜止液體靜止液體靜止液體靜止液體氣泡氣泡P P附左附左P P附右附右= =液體液體氣泡氣泡P P附左附左P P附右附右* *氣泡產(chǎn)生阻力：氣泡產(chǎn)生阻力：P PP P 阻力壓強(qiáng)阻力壓強(qiáng) = =P P附右附右- -P P附左附左* *當(dāng)當(dāng) P P 時(shí)，液體無(wú)法流動(dòng)；時(shí)，液體無(wú)法流動(dòng)；* *當(dāng)當(dāng) P P 時(shí)，液體才可流動(dòng)；時(shí)，液體才可流動(dòng)；* * 細(xì)管中若有細(xì)管中若有n n個(gè)氣泡，則要求外加壓強(qiáng)差個(gè)氣泡，則要求外加壓強(qiáng)差 P P n n ，液體才能流動(dòng)。，液體才能流動(dòng)。（ P:P:外加壓強(qiáng)差）外加壓強(qiáng)差

12、）+ + P P氣體栓塞在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：氣體栓塞在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：* *注射前，要排盡針筒中氣體；注射前，要排盡針筒中氣體；* * 潛水??；潛水?。?、表面活性物質(zhì)與表面吸附表面活性物質(zhì)與表面吸附（1 1）表面活性物質(zhì)：）表面活性物質(zhì)：在液體（溶劑）中加入一定濃度的在液體（溶劑）中加入一定濃度的某種溶質(zhì)，使液體表面張力系數(shù)減小，這種溶質(zhì)稱為表面某種溶質(zhì)，使液體表面張力系數(shù)減小，這種溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。（舉例：肥皂；洗衣粉；肺泡分泌物等）活性物質(zhì)。（舉例：肥皂；洗衣粉；肺泡分泌物等）原因：原因：表面吸附表面吸附（即表面活性物質(zhì)在溶液的表面層聚（即表面活性物質(zhì)在溶液的表面層聚集并伸展成薄膜的現(xiàn)象）。集并伸展成薄膜的現(xiàn)象）。表面層表面層肥皂分子肥皂分子水分子水分子f f1 1f f2 2f f1 1 f f2 2 ，使液體表面，使液體表面層分子勢(shì)能減少，因?qū)臃肿觿?shì)能減少，因而表面張力系數(shù)減小。而表面張力系數(shù)減小。（2 2）肺組織中的表面活性物質(zhì)：）肺組織中的表面活性物質(zhì)：* *肺泡內(nèi)壁分泌某種磷脂是表面活肺泡內(nèi)壁分泌某種磷脂是表面活性物質(zhì)；它的重要作用：維持正常性物質(zhì)；它的重要作用：維持