液体的表面性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,液体的表面现象,医用物理学,教学内容：,了解产生液体表面现象的微观机制,掌握表面张力系数以及表面张力,掌握弯曲液面内的附加压强公式,理解润湿与不润湿现象、毛细现象,了解肺泡的压强、气体栓塞以及表面吸附现象等,第四章 液体的表面现象,液体有哪些特性质？,液体的性质介于固体与气体之间。一方面，它像固体一样具有一定的体积，不易压缩；另一方面，它又像气体一样，没有一定的形状，具有流动性,液体的性质与其微观结构有关,液体具有一定的体积，不易压缩。,液体分子间距较气体小了一个数量级,分子排列较紧密，分子间作用力较大,其热运动与固体相似,主要在平衡位置附近作微小振动。,液体没有一定形状，并具有流动性。,这是由于液体分子振动的平衡位置不固定，是近程有序，即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的规则性。,由于液体分子间距小，分子间相互作用力较大，,当液体与气体、固体接触时，交界处由于,分子力作用,而产生一系列特殊现象，即：液体表面现象。,1,、分子力的特点,：,斥力,：,引力,有效直径：,有效作用半径：,合力,斥力,引力,根据分子之间作用力对这种微观结构的进一步解释,表面层,6,、微观力与宏观力的关系,3,、表面层：,4,、,表面能：,表面层分子势能内部分子势 能，形成表面能。,5,、形成,表面张力,系统以势能最小的状态最稳定，液体有,尽量缩小其表面的趋势，宏观表面为表面张力。,球内分子引力，,分子作用球,2,、分子作用球：,半径：,R,、,球外分子无作用力。,表面层分子受力：合力向下。,7,、 界面,（,interface,）：,密切接触的两相间的过渡区，约,10,-9,10,-8,m,， 有几个分子层厚,8,、表面（,surface,）：,其中的一项为气体（习惯）。如：,气,-,固，气,-,液,。,五类界面：气,-,液，气,-,固，,液,-,固,，液,1,-,液,2,， 固,1,-,固,2,第一节 表面张力 表面能,一、表面张力,1.,现象：,说明：,液面上存在沿表面的收缩力作用，这种力只存在于液体表面。,(2),液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。,(1),液面有收缩到最小的趋势；,液体的表面层中有一种使液面尽可能收缩成最小的宏观张力。,表面张力,（,surface tension,）,液体表面,有收缩到最小的趋势,从分子运动论观点说明,分子作用球：,在液体内部任取一分子,A,以,A,为球心，以分子有效作用半径,R,为半径作一球，称为分子作用球 。球外分子对,A,无作用力，球内分子对,A,的,作用力对称分布，合力为零。,2.,表面张力产生的原因,从表面层中任取一分子,B,，其受合力与液面垂直，指向液内，这使得表面层内的分子与液体内部的分子不同,都受一个指向液体内部的合力 。,在这些力作用下，液体表面的分子有被拉进液体内部的趋势。,在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势。,任何系统的势能越小越稳定，所以表面层内的分子有尽量挤入液体内部的趋势，即液面有收缩的趋势，这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力。表面张力是宏观力，与液面相切,; f ,是微观力，与液面垂直。,从能量观点来分析,把分子从液体内部移到表面层，需克服,f,作功,;,外力作功,分子势能增加,即表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大，表面层为高势能区,;,各个分子势能增量的总和称为,表面能,，用,E,表示。,二、表面张力系数,我们想象在液面上画一条直线段，线段两侧液面均有收缩的趋势，即有表面张力作用，该力与液面相切,与线段垂直，指向各自的一方,分别用,f,和,f,表示，这恰为一对作用力与反作用力，,f = - f,。,为,表面张力系数,，数值上等于单位长度直线段两侧液面的表面张力，单位：,N /,m,。,由于线段上各点均有表面张力作用,线段越长,则合力越大。设线段长为,l,则：,f,=,l,。,如图所示，铁丝框上挂有液膜，表面张力系数为,，将,AB,边,无摩擦,、,匀速,、,等温,地右移,x,，在,AB,边上加的力为：,F,=2,l,，则在这个过程中外力,F,所做的功为,:,其中,S,= 2,lx ,是,AB,向右移动过程中液面面积的增量。外力克服分子间引力做功，表面能增加，若用,E,表示表面能增量，则：,三、表面张力系数的测定与表面能增量,表面张力系数在数值上等于增加单位液体表面积时，外力所需做的功，或增加单位液体表面积时，表面能的增加。,表面张力系数的测定（液滴测定法）,A,B,d,质量为,m,的待测液体吸入移液管，由管口下端缓慢流出，形成袋状水滴。当表面张力不足以支持重力时，水滴下落，则：,W=f,四、影响表面张力系数的因素,与液体的性质有关,：不同液体，,值不同；密度小、易挥发的液体,值较小。如酒精的,值很小，金属 熔化后的,值很大。,与相邻物质性质有关,：同一液体与不同物质交界，,值不同。,与温度有关,：温度升高，,值减小，两者近似呈线性关系。,与液体内所含杂质有关,：在液体内加入杂质，液体的表面张力系数将显著改变，有的使其,值增加；有的使其,值减小。使,值减小的物质称为,表面活性物质。,物质,水,水,水,汞,汞,界面物质,温度,空气,20,72.8,空气,40,69.6,醚,20,12.2,空气,20,490,水,20,420,物质,菜油,乙醚,酒精,皂液,血液,界面物质,温度,空气,20,27.3,空气,20,17.0,空气,20,22.3,空气,20,25.2,空气,37,40-50,部分液体的表面张力系数,第二节 弯曲液面内外的压强差,自然界中有许多情况下液面是弯曲的，弯曲液面内外存在一压强差，称为附加压强,用,P,s,表示。附加压强是由于表面张力存在而产生的。,在液体表面上取一小面积,S,由于液面水平，表面张力沿水平方向，,S,平衡时，其边界表面张力相互抵消,S,内外压强相等：,1.,水平液面,2.,弯曲液面,凸液面时，如图,D,s,周界上表面张力沿切线方向，合力指向液面内，,D,s,好象紧压在液体上，使液体受一附加压强,p,s,由力平衡条件可知，液面下液体的压强：,附加压强与外部压强相同为正，相反为负。,凹液面时，如图,D,s,周界上表面张力的合力指向外部，,D,s,如好象被拉出，液面内部压强小于外部压强，由力平衡条件可知，液面下液体的压强：,附加压强使弯曲液面内外压强不等，与液面曲率中心同侧的压强恒大于另一侧，附加压强方向恒指向曲率中心,3.,球冠形液面,c,o,R,j,j,l,f,2/,f,1,f,r,已知：呈凸状的弯曲液面上截出一个球冠形小液面，将其周边界分成许多小段,l,，,小段,l,作用于该小液面上的表面张力大小为：,f,的方向与,l,相切，现将分解成两个互相垂直的分量,f,1,、,f,2,，如图所示，其中,f,1,的方向指向液面内部，,f,2,方向平行于整液面,拉普拉斯球面附加压强公式,球形液面附加压强与表面张力系数成正比，与球面半径,R,成反比。半径越小，附加压强越大；半径越大，附加压强越小；半径无限大时，附加压强等于零，这正是水平液面的情况。,c,o,R,j,j,l,f,2/,f,1,f,r,球形凸液面内压强,球形凹液面内压强,附加压强,P,S,：,由于液面弯曲，因表面张力而产生的，指向弯曲液面曲率中心的压强，,P,S,并不是某处液体得压强值,P,，而是由于有弯曲液面的存在，所产生的压强的增量值。,例,1,、已知某球形液膜的半径为,R,，表面张力系数为,，,求该球形液膜内外压强差,则,注意：,弯曲液面的附加压强与液面层数有关，实,际应用时要区分单层液面与双层液膜。,若,P,A,为标准大气压,P,O,，则,例,2,、两个大小不同且同性质的液泡用一连通管联通，如果连通管中的阀门打开，会出现什么现象？,分析：,空气由,气体由,A,流向,B,，直到最终,A,形成一个球冠形液膜，且使得 ，这时有,例,3,、有一半径 的球形肥皂泡，在标准大气压中形成，泡膜的表面张力系数,，问此时泡内压强有多大？（ ）,分析,：设泡内的附加压强为 ，则泡内压强为,第三节,毛细现象,润湿,:,液体沿固体表面延展的现象，称液体润湿固体。,一、润湿与不润湿,不润湿：液体在固体表面上收缩的现象，称液体不润湿固体。,润湿、不润湿与相互接触的液体、固体的性质有关。,水,玻璃：润湿,水,石蜡：不润湿,1,、现象,2,、润湿与不润湿的物理过程,（,1,）附着层：固液接触处，厚度等,R,的一层液体,（,2,）附着层内分子受力与液面形状,附着层,内聚力,附着力,凹液面,凹液面,凸液面,3,、定量描述,（,1,）接触角 固液接触处，固体表面与液体表面,的切线在液体内部形成的角。,（,2,）,润湿 ：,完全润湿：,不润湿,完全不润湿,4,、掺杂对接触角的影响,（,1,）润湿剂、清洁剂：使 减小,（,2,）防水剂：使 增大,5,、典型的润湿与不润湿现象,（,1,）纯水润湿洁净的玻璃；水银润湿洁净的锌,板铜板或铁板,（,2,）纯水不润湿石蜡；水银不润湿玻璃,二、毛细现象,润湿管壁的液体在细管里升高，不润湿管壁的液体在细管里下降的现象。,1,、现象：,水,玻璃管 液面上升；水银,玻璃管 液面下降,2,、本质：,毛细管刚插入水中时，管内液面为凹液面，,P,C,= P,0,P,B, P,0, P,B, P,C,根据流体静力学原理，静止流体同高的压强应该相等，,B,、,C,为等高点，但,P,B, P,C,，所以液体不能静止，管内液 面将上升，直至,P,B,=P,C,为止,3,、管内液面上升（或下降）的高度,由图,当：,当：,或,设毛细管半径为,r,则,4,、毛细现象的应用,-,悬着水,水沿土壤颗粒间隙形成的毛细管上升，叫毛细管上升水。土壤中的毛细管起着分配、保持土壤中的水分作用。土壤毛细管中存在的水叫悬着水，其在土壤毛细管中能保持的原因是：,当土壤温度变化时，悬着水两端温度不同，温度高的一端,值,减小，导致该端,P,s,减小，使悬着水向温度低处移动。,5,、毛细现象的延伸,-,气体栓塞,举例,:,病人输液；潜水员由深水上浮；植物高温下枯萎。,如图，毛细管中有一段液体，液体左右两端压强相等,形成对称的弯液面，欲使液柱向右移动， 则在左侧加一压强,P,，这时两侧液面形状改变，右侧曲率半径增大,左侧曲率半径减小，产生向左的附加压强差来抵抗,P ,当,P,达到一定程度时，液柱才能移动。,当毛细管中有很多气泡，则外加几个大气压都不能使液柱移动，形成栓塞,称,气体栓塞现象,。,第四节,表面吸附和表面活性物质,一、表面活性物质,1,、表面层收缩趋势越大，液体的表面张力系数越大,2,、能够减小液体表面张力系数的物质称为该液体的,表面活性物质,水,的表面活性物质有,：胆盐、卵磷脂、肥皂、有机酸,3,、能够增大液体表面张力系数的物质称为该液体的,表面非活性物质,水,的表面非活性物质有,：氯化钠、淀粉、糖类,4,、表面活性物质和表面非活性物质是相对的，对某种液体是表面活性物质，对另一种液体则可能是表面非活性物质,二、表面吸附,保持液滴形状,伸展开成一薄膜,-,表面吸附现象,能够使溶液表面张力减小的溶质称为,表面活性物质,固体吸附,吸附度,举例,:,白陶土；,活性炭；,净水器。,探讨肺泡表面活性物质在肺呼吸过程中的作用,肺位于胸腔内，支气管在肺内分成许多小支气管，每个小支气管末端附有很多小气囊，称为肺泡。,肺泡腔里是气体，肺泡壁则有一层液体，这样就构成了气液交界面，同时会在气液界面上存在向肺泡中心回缩的表面张力。,若每个肺泡内气液界面的表面张力系数相同，小肺泡内的压强大于大肺泡内的压强，有可能使小肺泡萎缩，大肺泡膨胀，但这种情况在肺内并没有出现，原因就是表面活性物质的作用。,肺泡表面液层中分布有一定量的、由肺泡,II,型细胞分泌的一种脂蛋白，它可起降低表面张力系数的作用。,二、肺泡的活动,吸气时，肺泡扩张，表面积增加，表面活性物质浓度减小，表面张力系数增加，附加压强相对增加，保证肺泡不过分扩大。,呼气时，肺泡缩小，表面积减小，表面活性物质浓度增加，表面张力系数减小，附加压强相对减小，保证肺泡不过分萎缩。,肺泡大小变化时，表面活性物质的浓度随之改变，起着调节表面张力大小的作用，以至于保持肺泡大小变化不大。,另外还稳定大小肺泡中的压强，不至于连通的肺泡中大肺泡变大，小肺泡缩小。,注意：,大小泡问题,第三章 学习要点,一、表面张力,1,、概念：,表面张力系数的定义,2,、影响表面张力系数的因素,大小：,单层液面 双层液膜,二、弯曲液面的附加压强,方向：,指向弯曲液面的曲率中心,三、润湿不润湿、毛细现象,1,、润湿,不润湿,2,、毛细现象,注意：,r,：毛细管半径，,中的 ：弯曲液面的曲率半径。,练 习：,1,、使液体表面张力系数减小的途径是,或,。,2,、 已知某液体表面张力系数,为 ，则恰好能把一个半径,为,R,的细金属圆环从液体中,拉出需用力为,。,3,、 一个半径为,2.0010,2,m,的肥皂泡 它的内外压强差为,， 如果温度升高，此压强差将,。,（,a,= 25.010,3,N / m,）,4,、两根材料相同的毛细管插入同一液体中，液面上升高度比为,= 23,，两毛细管半径比,。,5,、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上升高度为 ；另一个插在酒精里，酒精上升高度为 ，管子插入时都是铅直的，表面张力系数,=7310,-3,N/m,，,=2210,-3,N/m,，酒精密度,= 0.8g/cm,，设两种液体接触角,= 0,，则 ： 为,。,作 业：,53,页习题,4-3 4-4 4-5 4-6,Thank You!,练 习：,（升温、掺入表面活性物质）,1,、使液体表面张力系数减小的途径是,或,。,2,、 已知某液体表面张力系数,为 ，则恰好能把一个半径,为,R,的细金属圆环从液体中,拉出需用力为,。,3,、 一个半径为,2.0010,2,m,的肥皂泡 它的内外压强差为,， 如果温度升高，此压强差将,。,（,a,= 25.010,3,N / m,）,4,、两根材料相同的毛细管插入同一液体中，液面上升高度比为,= 23,，两毛细管半径比,。,5,、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上升高度为 ；另一个插在酒精里，酒精上升高度为 ，管子插入时都是铅直的，表面张力系数,=7310,-3,N/m,，,=2210,-3,N/m,，酒精密度,= 0.8g/cm,，设两种液体接触角,= 0,，则 ： 为,。,