第七章液體的表面現(xiàn)象

1、1第一節(jié)第一節(jié) 表面張力和表面能表面張力和表面能第二節(jié)第二節(jié) 彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強第七章第七章 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象2一一. 液體具有收縮其表面的性質(zhì)液體具有收縮其表面的性質(zhì)二二. 表面張力表面張力三三. 液體表面分子受力及表面能液體表面分子受力及表面能第一節(jié)第一節(jié) 表面張力和表面能表面張力和表面能3一一. 液體具有收縮其表面的性質(zhì)液體具有收縮其表面的性質(zhì) 荷葉上的水珠、玻璃板上的水銀小球、滴藥管荷葉上的水珠、玻璃板上的水銀小球、滴藥管緩慢流出的液滴都趨于成球形緩慢流出的液滴都趨于成球形表面張力和表面能表面張力和表面能4液體有收縮其表面的趨勢液體有收縮其表面的趨勢,即液

2、體總是力圖即液體總是力圖使其表面收縮到最小使其表面收縮到最小. 液體的表面類似于一張拉緊的彈性膜，使液液體的表面類似于一張拉緊的彈性膜，使液面處在有收縮趨向的張力作用下面處在有收縮趨向的張力作用下表面張力。表面張力。（a）（b）表面張力和表面能表面張力和表面能5二二. 表面張力表面張力 設(shè)想在液體的表面劃一條長度為設(shè)想在液體的表面劃一條長度為 l 的分界的分界線，將液面分為兩部分，這兩部分將相互牽引，線，將液面分為兩部分，這兩部分將相互牽引，牽引力即為表面張力，其大小為牽引力即為表面張力，其大小為 f = l其方向與液體表面相切，并與分界線其方向與液體表面相切，并與分界線 l 垂直垂直. -表

3、面張力系數(shù)，是液體性質(zhì)的表現(xiàn)表面張力系數(shù)，是液體性質(zhì)的表現(xiàn).單位單位: Nm-1對于一定的液體，對于一定的液體， 隨溫度上升而減小隨溫度上升而減小. 還還與雜質(zhì)成分及濃度有關(guān)與雜質(zhì)成分及濃度有關(guān). .l表面張力和表面能表面張力和表面能6三三. 液體表面分子受力及表面能液體表面分子受力及表面能表面張力起源于液體分子力表面張力起源于液體分子力rf分子力作用半徑：分子力作用半徑： 分子力能夠發(fā)生的作用的分子力能夠發(fā)生的作用的最大分子間距，最大分子間距，r0 10-9米米 分子力是使固體、液體分子聚集的主要因素分子力是使固體、液體分子聚集的主要因素分子力作用球：分子力作用球： 以分子中心為球心、以分以

4、分子中心為球心、以分子力作用半徑為半徑所作的球。子力作用半徑為半徑所作的球。r0表面張力和表面能表面張力和表面能7三三. 液體表面分子受力及表面能液體表面分子受力及表面能 AB C球內(nèi)液體分子分布球內(nèi)液體分子分布均勻，合力為零均勻，合力為零球內(nèi)液體分子分布球內(nèi)液體分子分布不均勻，合力不為不均勻，合力不為零零A分子：分子：B、C分子：分子： 1. 液體的表面層液體的表面層表面層表面層表面張力和表面能表面張力和表面能8三三. 液體表面分子受力及表面能液體表面分子受力及表面能2. 表面層的特點表面層的特點 表面層內(nèi)的分子受到垂直液表面層內(nèi)的分子受到垂直液面指向液體內(nèi)部的引力面指向液體內(nèi)部的引力 要把

5、液體內(nèi)部的分子移到表面層中來，就要克服要把液體內(nèi)部的分子移到表面層中來，就要克服上述引力做功，從而使分子勢能增加，即表面層內(nèi)的上述引力做功，從而使分子勢能增加，即表面層內(nèi)的分子具有較大的勢能分子具有較大的勢能表面能。表面能。 受力受力能量能量表面張力和表面能表面張力和表面能9任何系統(tǒng)，它的勢能有減小到最小的趨勢，任何系統(tǒng)，它的勢能有減小到最小的趨勢，處于穩(wěn)定狀態(tài)。所以液體表面層中的分子有處于穩(wěn)定狀態(tài)。所以液體表面層中的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢，從而使表面層面盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢，從而使表面層面積有盡可能縮小的趨勢，宏觀表現(xiàn)為表面張積有盡可能縮小的趨勢，宏觀表現(xiàn)為表面張力。力。3. 表面能

6、表面能 液體表面層分子比內(nèi)部分子所多出的勢能總和。液體表面層分子比內(nèi)部分子所多出的勢能總和。表面張力和表面能表面張力和表面能10四四. 表面張力系數(shù)與表面能的關(guān)系表面張力系數(shù)與表面能的關(guān)系lMN金屬框金屬框 滑動金屬絲滑動金屬絲MNF = 2 l外力做功外力做功 W = F x = 2 l x = S = E液膜液膜 外力外力FSESW 2 lF x表面張力和表面能表面張力和表面能11例例 求當(dāng)半徑求當(dāng)半徑r=2.0r=2.0* *1010-6-6m m的許多小水滴融的許多小水滴融合成一個半徑合成一個半徑R=2.0R=2.0* *1010-3-3m m的大水滴時的大水滴時, , 所釋放的能量所

7、釋放的能量. . 水的表面張力系數(shù)水的表面張力系數(shù), , =7.3=7.3* *1010-2-2N/mN/m3.7*10-3 J12第二節(jié)第二節(jié) 彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強一一. 水平液面的附加壓強水平液面的附加壓強二二. 球形凸液面的附加壓強球形凸液面的附加壓強三三. 球形凹液面的附加壓強球形凹液面的附加壓強 五五. 典型應(yīng)用典型應(yīng)用連通的氣泡連通的氣泡 四四. 球形液膜球形液膜13ffp0pffp0pffp0p表面張力表面張力 f 通過分析一小塊液面的平衡條件討論不同通過分析一小塊液面的平衡條件討論不同彎曲程度的液面產(chǎn)生的壓強差彎曲程度的液面產(chǎn)生的壓強差液面外部的大氣壓強液面外部

8、的大氣壓強 p0液體內(nèi)部壓強液體內(nèi)部壓強 p三力平衡三力平衡第二節(jié)第二節(jié) 彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強14附加壓強附加壓強: 液體表面存在著張力，若液面彎曲，表液體表面存在著張力，若液面彎曲，表面張力與彎曲液面相切，使得彎曲液面凹側(cè)壓強較面張力與彎曲液面相切，使得彎曲液面凹側(cè)壓強較大，液面內(nèi)外壓強不相等，存在壓強差，稱為彎曲大，液面內(nèi)外壓強不相等，存在壓強差，稱為彎曲液面附加壓強。液面附加壓強。0pppis其中，其中，ps-附加壓強，附加壓強，pi-液體內(nèi)部壓強，液體內(nèi)部壓強，po-液體外部液體外部壓強壓強15f = 0 p0 = p液面不產(chǎn)生附加壓強液面不產(chǎn)生附加壓強討論無厚度液面討

9、論無厚度液面ffp0p p0 = p p0 = p一一. 水平液面的附加壓強水平液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強16ffp0p Sr f f1 f2 f = l f1 = l sin f2 = l cos f2 = f2 = 0 f = f1 = f1 = l sin Rr sin lsinRrf 22f 0 p0+ ps = ppsrRr2 f SR二二. 球形凸液面的附加壓強球形凸液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強17凸液面產(chǎn)生指向液體內(nèi)部附加壓強凸液面產(chǎn)生指向液體內(nèi)部附加壓強ffp0p Sr f f1 f2 RSfps 21psRRrrSfps 2222

10、1Rrf 22二二. 球形凸液面的附加壓強球形凸液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強18 f = 2 l f1 = 2 l sin f2 = 2 l cos Rrf 22f 0 p0 - ps = pffp0pr f f1 f2 R SRSfps 21ps凹液面產(chǎn)生指向液體外部附加壓強凹液面產(chǎn)生指向液體外部附加壓強三三. 球形凹液面的附加壓強球形凹液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強19第二節(jié)第二節(jié) 彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強ffp0pffp0pffp0p不產(chǎn)生附不產(chǎn)生附加壓強加壓強ps 球形凹液面球形凹液面指向液體外部指向液體外部 球形凸液面球形凸液面指

11、向液體內(nèi)部指向液體內(nèi)部 水平液面水平液面產(chǎn)生附加壓強產(chǎn)生附加壓強Rps 2ps20pspsp0piR1R2pB22RppoB12RppiBRRR21Rppoi4so 四四. 球形液膜球形液膜彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強21第二節(jié)第二節(jié) 彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強P1 R2 五五. 典型應(yīng)用典型應(yīng)用連通的氣泡連通的氣泡彎曲液面的附加壓強彎曲液面的附加壓強Rppoi422例題例題 課本課本 p97 5-1223三三. 氣體栓塞氣體栓塞一一 . 潤濕現(xiàn)象潤濕現(xiàn)象二二. 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象以下不講以下不講 第三節(jié)第三節(jié) 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象2425一一 . 潤濕現(xiàn)象潤濕現(xiàn)象現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因

12、 附著層附著層內(nèi)的分子所內(nèi)的分子所受分子力不受分子力不對稱對稱附著層附著層潤濕潤濕不潤濕不潤濕附著力附著力內(nèi)聚力內(nèi)聚力毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象26接觸角接觸角 固體與液體接觸處，固體表固體與液體接觸處，固體表面與液體表面的切線所夾的面與液體表面的切線所夾的通過通過液體內(nèi)部的角液體內(nèi)部的角 90 不潤濕不潤濕 = 0 完全潤濕完全潤濕 = 180 完全不潤濕完全不潤濕 一一 . 潤濕現(xiàn)象潤濕現(xiàn)象毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象27h二二. 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象28二二. 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因hh 將毛細管插入液體中，管將毛細管插入液體中，管中的液面會上升或下降。中的液面會上升或下降。 潤濕與不潤濕現(xiàn)象造成了潤濕

13、與不潤濕現(xiàn)象造成了彎曲液面，從而產(chǎn)生了附加壓彎曲液面，從而產(chǎn)生了附加壓強，在其作用下液面上升或下強，在其作用下液面上升或下降。降。潤濕潤濕不潤濕不潤濕毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象29二二. 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象分析分析h ABCRppA 20Rr pC = p0 pB = pA + gh = pCgRh 2r cosrRgrh cos202 Rgh潤濕情況潤濕情況毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象30h ABCR二二. 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象分析分析RppA 20 pA = pB = gh + pC不潤濕情況不潤濕情況grh cos2 pC = p0討論討論與與 成正比成正比;與與 r 成反比，管子越細，毛細現(xiàn)象越明顯。成反比，管子

14、越細，毛細現(xiàn)象越明顯。r 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象31三三. 氣體栓塞氣體栓塞現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因 潤濕液體在細管中流動時，管中氣泡潤濕液體在細管中流動時，管中氣泡多時就可能將管子阻塞，使流動受阻。多時就可能將管子阻塞，使流動受阻。氣泡表面的彎曲液膜所產(chǎn)生的附加壓強。氣泡表面的彎曲液膜所產(chǎn)生的附加壓強。毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象32三三. 氣體栓塞氣體栓塞毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象 液體在細管中流動時液體在細管中流動時,如果管中有氣泡如果管中有氣泡,液體的流動將會受到阻礙液體的流動將會受到阻礙,氣泡多時可發(fā)生阻氣泡多時可發(fā)生阻塞塞,這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為液柱不動液柱不動pppp33pp當(dāng)當(dāng) 時時pp左p右p右左pppppp

15、pp左右 pp液柱開始移動液柱開始移動34pnn液柱開始移動液柱開始移動p p2 p3 p 有幾個氣泡，就產(chǎn)生幾個有幾個氣泡，就產(chǎn)生幾個 P的阻力，若總壓強的阻力，若總壓強差不足以克服這種阻力，就不能推動氣泡和液柱一起差不足以克服這種阻力，就不能推動氣泡和液柱一起波動，從而形成栓塞。波動，從而形成栓塞。Rps 2管子越細，氣泡曲率越小，也就越容易產(chǎn)生栓塞。管子越細，氣泡曲率越小，也就越容易產(chǎn)生栓塞。35三三. 氣體栓塞氣體栓塞輸液管中的氣泡會造成栓塞從而影響輸輸液管中的氣泡會造成栓塞從而影響輸液速度；液速度；微血管中若出現(xiàn)氣泡很容易形成栓塞微血管中若出現(xiàn)氣泡很容易形成栓塞 潛水員從深水處上升、

16、患者從高壓氧艙中潛水員從深水處上升、患者從高壓氧艙中出來，都要有適當(dāng)?shù)木彌_時間，以防在高壓時出來，都要有適當(dāng)?shù)木彌_時間，以防在高壓時溶解于血液中的過量氣體迅速釋放，在微血管溶解于血液中的過量氣體迅速釋放，在微血管中造成栓塞。中造成栓塞。實際意義實際意義毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象36一一. 表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)二二. 吸附吸附三三. 肺泡的表面張力肺泡的表面張力Bujiang 第四節(jié)第四節(jié) 表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)37一一. 表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)表面張力系數(shù)表面張力系數(shù) 與雜質(zhì)的加入有關(guān)與雜質(zhì)的加入有關(guān) 加入后能夠降低液體表面張力加入后能夠降低液體表面張力系數(shù)的物質(zhì)系數(shù)的物質(zhì) 水的表面活性物質(zhì)有肥

17、皂、水的表面活性物質(zhì)有肥皂、膽堿、蛋黃素等膽堿、蛋黃素等 加入后能夠增加液體表面張力加入后能夠增加液體表面張力系數(shù)的物質(zhì)系數(shù)的物質(zhì) 水的表面活性物質(zhì)有氯化鈉、水的表面活性物質(zhì)有氯化鈉、糖類、淀粉等糖類、淀粉等 表面表面活性活性物質(zhì)物質(zhì)表面表面非活性非活性物質(zhì)物質(zhì)表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)38一一. 表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì) 表面活性物質(zhì)溶入液體后，溶劑分子對溶質(zhì)表面活性物質(zhì)溶入液體后，溶劑分子對溶質(zhì)分子的引力要小于溶劑分子之間的引力，使得溶分子的引力要小于溶劑分子之間的引力，使得溶劑分子更易進入液體內(nèi)部而溶質(zhì)分子在表面層中劑分子更易進入液體內(nèi)部而溶質(zhì)分子在表面層中的濃度增大的濃度增大使表面能趨于

18、最小。使表面能趨于最小。少量表面活性物質(zhì)就可以在很少量表面活性物質(zhì)就可以在很大程度上影響液體表面的性質(zhì)大程度上影響液體表面的性質(zhì) 而表面非活性物質(zhì)要溶入液體后，這些物質(zhì)而表面非活性物質(zhì)要溶入液體后，這些物質(zhì)的分子將盡可能地離開表面層，進入液體內(nèi)部，的分子將盡可能地離開表面層，進入液體內(nèi)部，結(jié)果使液體內(nèi)部溶質(zhì)的濃度比表面層中的大結(jié)果使液體內(nèi)部溶質(zhì)的濃度比表面層中的大使表面能趨于最小。使表面能趨于最小。毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象39固體也具有把表面能減到最小的趨勢。固體也具有把表面能減到最小的趨勢。二二. 吸附吸附 固體通過在表面吸上一層表面活性物質(zhì)固體通過在表面吸上一層表面活性物質(zhì)（表面能小）的分子來達到這一目的。（表面能小）的分子來達到這一目的。氣體或液體分子附著在固體表面的現(xiàn)象稱為吸附。氣體或液體分子附著在固體表面的現(xiàn)象稱為吸附。 固體的吸附能力與其表面面積成正比，隨溫固體的吸附能力與其表面面積成正比，隨溫度的增加而減弱。度的增加而減弱。醫(yī)學(xué)中利用粉狀的白陶土或活性炭吸附胃腸道醫(yī)學(xué)中利用粉狀的白陶土或活性炭吸附胃腸道中的細菌、色素及食物分解出來的毒素。中的細菌、色素及食物分解出來的毒素。毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象40三三. 肺泡的表面張力肺泡的表面張力肺肺支氣管支氣管小支氣管小支氣管氣管氣管囊