醫(yī)用物理學(xué)07液體的表面現(xiàn)象

1、第六章第五節(jié)第六章第五節(jié)液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象（液體的表面現(xiàn)象（Liquid surface phenomenonLiquid surface phenomenon ）1、掌握掌握液體表面張力的概念液體表面張力的概念2、掌握掌握附加壓強(qiáng)及毛細(xì)現(xiàn)象的規(guī)律。附加壓強(qiáng)及毛細(xì)現(xiàn)象的規(guī)律。3、熟悉熟悉氣體栓塞現(xiàn)象、表面活性物質(zhì)和氣體栓塞現(xiàn)象、表面活性物質(zhì)和表面吸附的物理原理表面吸附的物理原理學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求表面張力和表面能表面張力和表面能自然界很多現(xiàn)象說(shuō)明：液面自然界很多現(xiàn)象說(shuō)明：液面表面具有收縮的趨勢(shì)。表面具有收縮的趨勢(shì)。液面液面宏觀上表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜而具有張力。宏觀上表

2、現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜而具有張力。液體的表面張力及表面能液體的表面張力及表面能 液體表面層內(nèi)具有一種收縮的力，我們把這種促使液液體表面層內(nèi)具有一種收縮的力，我們把這種促使液體表面收縮的力，稱為體表面收縮的力，稱為表面張力（表面張力（surface tension）LF LFFL實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)表明: : 表面張力的大小表面張力的大小正比于線段正比于線段MNMN的長(zhǎng)度。的長(zhǎng)度。表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)：F FF FM MN N取液面分界面取液面分界面MNMN，表面張力表面張力F F的方向與分界線垂直，與液的方向與分界線垂直，與液體表面相切。體表面相切。/N m單位：?jiǎn)挝唬罕砻鎻埩ο禂?shù)表：表面張力系

3、數(shù)表：影響表面張力系數(shù)的因素影響表面張力系數(shù)的因素與液體的性質(zhì)有關(guān)與液體的性質(zhì)有關(guān)：不同液體，：不同液體， 值不同；密度小、值不同；密度小、易揮發(fā)的液體易揮發(fā)的液體 值較小。值較小。如如: :酒精、乙醚的酒精、乙醚的 值很值很小，金屬熔化后的小，金屬熔化后的 值很大。值很大。與相鄰物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)有關(guān)與相鄰物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)有關(guān)：同一液體與不同物質(zhì)交：同一液體與不同物質(zhì)交界，界， 值不同。值不同。與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)：溫度升高，：溫度升高， 值減小。某些液體沸騰時(shí)值減小。某些液體沸騰時(shí)表面張力系數(shù)為零。表面張力系數(shù)為零。與液體內(nèi)所含雜質(zhì)有關(guān)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：在液體內(nèi)加入雜質(zhì)，

4、液體的表面張力系數(shù)將顯著改變，有的使其的表面張力系數(shù)將顯著改變，有的使其 值增加；值增加；有的使其有的使其 值減小。使值減小。使 值減小的物質(zhì)稱為值減小的物質(zhì)稱為表面活表面活性物質(zhì)性物質(zhì)。斥力斥力 引力引力斥力斥力 引力引力斥力斥力= = 引力引力r r0無(wú)分子力無(wú)分子力( (分子間平衡距離分子間平衡距離: : r r0 0=10=10-10-10 m) m)分子作用球半徑分子作用球半徑r= 10-9m。r表面張力產(chǎn)生的原因，可用分子力加以解釋。表面張力產(chǎn)生的原因，可用分子力加以解釋?？諝饪諝庖后w液體m mm mm m表面層表面層m是液內(nèi)分子；是液內(nèi)分子； m是液體表面層分子。是液體表面層分子

5、。液體內(nèi)分子液體內(nèi)分子m的受力分析：的受力分析： 受到的分子作用力的合力為零：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m的受力分析：的受力分析：受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的分子引力作用；受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的分子引力作用；宏觀上表面層表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜。宏觀上表面層表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜。液體表面能液體表面能: : 表層中所有分子高出液體內(nèi)部分子的那表層中所有分子高出液體內(nèi)部分子的那部分勢(shì)能的總和，稱為液體的表面能。部分勢(shì)能的總和，稱為液體的表面能。從表面能角度解釋液體表面張力：從表面能角度解釋液體表面張力：表面層中每一個(gè)分子，比液體內(nèi)部分子具有更多勢(shì)能。

6、表面層中每一個(gè)分子，比液體內(nèi)部分子具有更多勢(shì)能。由于系統(tǒng)的勢(shì)能有減小到最小的趨勢(shì)，由于系統(tǒng)的勢(shì)能有減小到最小的趨勢(shì)，因此只要有可能，因此只要有可能，表面層的分子就有可能向液體內(nèi)部移動(dòng)，使表面積收縮表面層的分子就有可能向液體內(nèi)部移動(dòng)，使表面積收縮到最小。到最小?，F(xiàn)象：小水滴融合成大水滴時(shí)，要釋現(xiàn)象：小水滴融合成大水滴時(shí)，要釋放出能量；放出能量；反之，大水滴分散成許多小水滴時(shí)，反之，大水滴分散成許多小水滴時(shí)，要吸收外界能量；如：靜電噴霧要吸收外界能量；如：靜電噴霧原因：表面層的分子具有更多的勢(shì)能，當(dāng)小水滴融合成大水滴時(shí)，表面積減小，更多的分子向液體內(nèi)部遷移，因此融合后的表面能比融合前表面能小l液體

7、薄膜液體薄膜dcbafF=2lfxS表面張力系數(shù)的第表面張力系數(shù)的第2定義：定義：ab表面張力系數(shù)與表面能：表面張力系數(shù)與表面能：2/J m液體的表面張力及表面能液體的表面張力及表面能2Afxlx 做功做功2Sl x增加的面積增加的面積22pEl xSl x討論：比表面能的含義討論：比表面能的含義PEA pES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ffP0P P液內(nèi)液內(nèi)水水P附附ff凹面凹面 凸面凸面

8、彎曲液面的附加壓強(qiáng)彎曲液面的附加壓強(qiáng)2PR表面張力的垂直分量表面張力的垂直分量: :RTr=RsinOsinTA表面張力產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)表面張力產(chǎn)生的附加壓強(qiáng): :sin2sinsinTR2sin)2(R在彎曲液面上取如圖所示液塊在彎曲液面上取如圖所示液塊T為單位長(zhǎng)度液體表面的張力，即為單位長(zhǎng)度液體表面的張力，即表示液塊內(nèi)外壓強(qiáng)差，小液塊所受的向上壓力為表示液塊內(nèi)外壓強(qiáng)差，小液塊所受的向上壓力為：sinPR 2（）P222(2)sin=sinRPR 小液塊受力平衡：小液塊受力平衡：2PPR凹凸凹側(cè)凹側(cè) 凸側(cè)凸側(cè) 彎曲液面的附加壓強(qiáng)彎曲液面的附加壓強(qiáng)PP凹凸2PR凸側(cè)凸側(cè) 凹側(cè)凹側(cè) 1222CAP

9、PRR12RPPAB對(duì)外表面：對(duì)外表面：R1R2(R1=R2=R)對(duì)內(nèi)表面：對(duì)內(nèi)表面：22CBPPR肥皂泡肥皂泡2. 2. 球形液膜的附加壓強(qiáng)：球形液膜的附加壓強(qiáng)：彎曲液面的附加壓強(qiáng)彎曲液面的附加壓強(qiáng)4CAPPR 補(bǔ)充：補(bǔ)充： 向帶有活塞的三通玻璃管向帶有活塞的三通玻璃管吹氣使兩端分別掛上大小不一的肥吹氣使兩端分別掛上大小不一的肥皂泡，旋轉(zhuǎn)活塞使兩氣泡連通，觀皂泡，旋轉(zhuǎn)活塞使兩氣泡連通，觀察氣泡的變化察氣泡的變化?l 發(fā)現(xiàn)小泡將越來(lái)越小，大泡發(fā)現(xiàn)小泡將越來(lái)越小，大泡越脹越大。這就是小泡的附加越脹越大。這就是小泡的附加壓強(qiáng)大于大泡的附加壓強(qiáng)的緣壓強(qiáng)大于大泡的附加壓強(qiáng)的緣故。故。對(duì)大泡對(duì)大泡：對(duì)小

10、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，液體液體潤(rùn)濕潤(rùn)濕固體；固體；例：水潤(rùn)濕玻璃例：水潤(rùn)濕玻璃f f附附當(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 液體浸濕毛細(xì)管壁時(shí)，管內(nèi)液面上升液體浸濕毛細(xì)管壁時(shí)，管內(nèi)液面上升A AB Bh h平衡時(shí)，平衡時(shí)，P PA A = = P PB BR Rr rgrgRhcos22( (當(dāng)當(dāng) = =0 00 0時(shí)時(shí), ,為完全浸濕。為完全浸濕。) )02BPPghR0APPcosRr ( (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：

11、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

12、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)的流動(dòng)將受到阻礙，氣泡多時(shí)可發(fā)生阻塞，這種現(xiàn)象叫象叫氣體栓塞氣體栓塞。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* *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

13、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）+ + 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；* *預(yù)防潛水病；預(yù)防潛水病；潛水病潛水病: :潛水者在海中深達(dá)潛水者在海中深達(dá)1010米時(shí)，總共受到米時(shí)，總共受到2 2個(gè)絕對(duì)大氣壓，個(gè)絕對(duì)大氣壓，深度每增加深度每增加1010米，就增加一個(gè)大氣壓。米，就增加一個(gè)大氣壓。 表面活性物質(zhì)與表面吸附表面活性物質(zhì)與表面吸附表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)：在液體（溶劑）中加入一定濃度的某種溶在液體（溶劑）中加入一定濃度的某種溶質(zhì)，使液體

14、表面張力系數(shù)減小，這種溶質(zhì)稱為表面活性物質(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）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）。集并伸展成薄膜）。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。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性物質(zhì)；肺泡內(nèi)壁分泌某種磷脂

15、是表面活性物質(zhì)；改變粘液的改變粘液的，從而維持正常呼吸。，從而維持正常呼吸。* *肺組織結(jié)構(gòu)肺組織結(jié)構(gòu)R R 活性物質(zhì)密度活性物質(zhì)密度 粘液的粘液的 大肺泡大肺泡：R R 活性物質(zhì)密度活性物質(zhì)密度 粘液的粘液的 小肺泡：小肺泡：表面活性物質(zhì)與表面吸附表面活性物質(zhì)與表面吸附小肺泡萎縮？小肺泡萎縮？大肺泡膨脹？大肺泡膨脹？2PR基本保持不變基本保持不變所以所以毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用u肥皂就是最常見(jiàn)的表面活性物質(zhì)肥皂就是最常見(jiàn)的表面活性物質(zhì)。肥皂水的表面張力系數(shù)約為4010-3N/m，是純水的一半。一般說(shuō)來(lái)，醇、酸、醛、酮等有機(jī)物質(zhì)大都是表面活性物質(zhì)。u表面活性物質(zhì)在水溶液中，能使不溶或微溶于水的有機(jī)物質(zhì)的溶解度顯著增加，這種現(xiàn)象稱為增溶作用增溶作用(或或加溶作用加溶作用)。u增溶作用舉例：增溶作用舉例：為了使噴灑在作物葉片上的農(nóng)藥能適當(dāng)?shù)卣共奸_(kāi)來(lái)，往往也要在稀釋過(guò)的農(nóng)藥中加入表面活性物質(zhì)：皂素、皂角粉、肥皂水皂素、皂角粉、