CH07-液体表面-生医课件

1、第七章 分子物理学第五节 液体的表面现象,一、表面张力和表面能 二、弯曲液面的附加压强 三、毛细现象和气体栓塞 四、表面活性物质与表面吸附,1,CH07-液体表面-生医,气液界面液体的表面现象,日常生活中的液体表面现象,为什么叶子上的水滴呈球形,为什么蚊子能够站在水面上,为什么硬币可以漂浮在水面,2,CH07-液体表面-生医,演示,液体表面现象,液体与气体接触的表面有收缩成表面积最小的趋势,液体表面就象一张拉紧的橡皮膜，处处存在一种使液面收缩的宏观张力表面张力,3,CH07-液体表面-生医,一、表面张力和表面能,表面张力,表面张力只存在于液体表面层内，作用在任意划分开来的液面两侧，使液面产生向

2、内收缩,表面张力的作用均匀分布，力的方向与液面相切，垂直于液面边界线，指向液面内部,表面张力的特点,存在于液体表面层内，能使液体表面收缩的力,4,CH07-液体表面-生医,表面张力的大小,表面张力系数：表示单位长度分界线两侧液面的相互作用拉力。 单位：牛顿米-1 (N m-1,与液体种类有关；与温度有关，T，； 与相邻物质的性质有关；与液体中的杂质有关,影响大小的因素,5,CH07-液体表面-生医,表面张力产生的原因,分子力特点,起源于液体分子力,10-9m,10-10m,r10-9m，f几乎为零,分子力作用半径,分子力能够发生作用的最大分子间距r0 =10-9m,分子作用球,以分子中心为球心

3、，分子力有效作用距离r0 为半径所作的球,球内分子对球心处分子有引力作用； 球外分子对球心处分子无引力作用,6,CH07-液体表面-生医,表面层,在液体与气体交界面，厚度等于分子力作用半径r0 的一层液体,表面层,m分子在A处受力最大,m分子在B处受力小于A处受力,分子作用球,m分子受力为0,m分子在C处受力最小,7,CH07-液体表面-生医,结论,在液体表面层内的分子都受到一个垂直于表面层并指向液体内部的合引力,在合引力作用下，液体表面的分子有被拉进液体内部的趋势，在宏观上表现为液体表面有收缩的趋势,为什么表面层内的分子仍可以停留在表面层内,问题,表面层内的分子受到的分子引力被一些十分靠近的

4、分子斥力所平衡，使这些分子能够停留在液体的表面层内,8,CH07-液体表面-生医,表面能,从能量观点看：把液体内部的分子移到表面层，需克服表面层下面的分子对它的合引力做功，从而增加该分子的势能。 可见液体表面层内的分子比液体内部分子的势能大,由于系统的势能越小越稳定，所以表面层内的分子会尽可能挤入液体内部，使表面积缩到最小，这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力,液体表面层分子比液体内部分子多出的势能的总和,9,CH07-液体表面-生医,测定表面张力系数的实验,实验显示：表面张力不会因表面积的改变而改变,BC边匀速右移时，施加在BC边上与表面张力平衡的外力,BC边右移x时，增加的液膜表面积,外

5、力F做功,10,CH07-液体表面-生医,增加液面单位表面积外力所做的功,表面张力系数：在数值上等于增加液面单位表面积时，外力所做的功或增加的表面能。 单位：焦耳米-2 (J m-2,为什么在水面上比在肥皂液面上易于漂浮硬币,问题,因为：水肥皂液,11,CH07-液体表面-生医,例,解,小水滴融合大水滴所需的小水滴数目,求当半径r=2.010-6m的许多小水滴融合成一个半径R=2.010-3m的大水滴时，所释放的能量。水的表面张力系数=7.310-2Nm-1,小水滴融合大水滴时减少的液面面积,小水滴融合大水滴时所释放的能量,12,CH07-液体表面-生医,例,解,吹一个肥皂液泡增大的液面面积,

6、计算吹起半径为1cm的肥皂液泡需多少功？ 液=0.0250 Nm-1,吹一个肥皂液泡需要做的功,为什么用肥皂液很容易吹起泡泡，但用水却很难,问题,因为：肥皂液水，吹肥皂泡需要做的功比较小,13,CH07-液体表面-生医,二、弯曲液面的附加压强,附加压强的形成,由于液体表面存在表面张力，因此在弯曲液面内外存在一压强差，称为附加压强,平面液面,小液面受到周边液面对它的表面张力沿周边界均匀分布，方向沿水平方向垂直于周边界，作用相互抵消，平衡时液面内外压强相等,14,CH07-液体表面-生医,凸液面,小液面受到周边液面对它的表面张力沿周边界均匀分布，方向沿凸液面切向垂直于周边界，形成一个指向液体内部的

7、附加压强pS,凹液面,小液面受到周边液面对它的表面张力沿周边界均匀分布，方向沿凹液面切向垂直于周边界，形成一个指向液体外部的附加压强pS,附加压强pS 方向总是指向弯曲液面的凹面，凹面压强总是大于凸面压强,15,CH07-液体表面-生医,附加压强的大小,球冠形液面的附加压强,球冠的表面张力总和,表面张力的水平分量,表面张力的垂直分量,球冠底面积,表面张力产生的附加压强,16,CH07-液体表面-生医,球型液膜内外的压强差,球型液膜内外半径,肥皂泡,弯曲液面的附加压强与液面层数有关，应区分单层液面与双层液膜,注意,空气中水滴、水中气泡个液面； 空气中液膜(肥皂泡)个液面,膜内压强大于膜外压强，并

8、与半径成反比,17,CH07-液体表面-生医,演示实验：连通的气泡,肥皂泡内空气由BA,小泡不断变小，大泡不断变大,为什么大小肺泡可以共存,18,CH07-液体表面-生医,三、毛细现象和气体栓塞,液体和固体接触处的表面现象,在玻璃板上滴一滴水和水银 水会沿着玻璃面向外扩展，附在玻璃上水润湿玻璃。 水银成球形不附在玻璃上水银不润湿玻璃,为什么,19,CH07-液体表面-生医,润湿与不润湿现象,润湿现象,液体与固体接触时，在固体表面附近的液面向外延展的现象,不润湿现象,液体与固体接触时，在固体表面附近的液面向内收缩的现象,20,CH07-液体表面-生医,润湿和不润湿的成因,附着层,在固液接触处，厚

9、度等于固体分子与液体分子引力有效作用距离的一层液体,附着力,液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力,由附着层内分子受力不对称引起的,固体分子对附着层内液体分子的吸引力,内聚力,21,CH07-液体表面-生医,附着层内分子受力与液面形状,f附 f内，f合指向固体，将分子拉进附着层。附着层扩展，液体润湿固体,f附 f内，f合指向液体内部，将分子挤进液体内部。附着层收缩，液体不润湿固体,凸液面,凹液面,22,CH07-液体表面-生医,接触角,在固液接触面的边界处，液体表面的切面与固体表面在液体内部形成的夹角。0 180，由f附和 f内的大小决定,f附 f内时， 90液体润湿固体 = 0液体完全润湿固

10、体,f附 90液体不能润湿固体 = 180液体完全不润湿固体,可见大小反映液体能否润湿固体及润湿程度,23,CH07-液体表面-生医,1毛细现象,毛细管：内径很小的管子,毛细现象,将毛细管插入液体中，液体润湿管壁时，管内液面上升；液体不润湿管壁时，管内液面下降,毛细现象是由于润湿或不润湿及液体表面张力共同作用的结果,24,CH07-液体表面-生医,毛细现象的成因,液体润湿管壁凹液面pS向上，p液内 p0p0将管外液体压入管内管内液面上升,液体润湿管壁凸液面pS向下， p液内 p0p液内将管内液体压出管外管内液面下降,毛细上升,毛细下降,25,CH07-液体表面-生医,毛细现象液面上升(或下降)

11、的高度,凹液面内的压强,毛细管半径r液面曲率半径R接触角,管内液面上升稳定时,因,润湿情况,26,CH07-液体表面-生医,不润湿情况,凸液面内的压强,管内液面下降稳定时,因,设管内液面下降时，h0,27,CH07-液体表面-生医,结论,28,CH07-液体表面-生医,毛细现象的应用,日常生活,用棉线拧成一束作灯芯，棉线间的空隙相当于毛细管，酒精(煤油)经由这些间隙可上升至芯头。 毛巾一端浸入水中，整条毛巾会润湿。 方糖一角沾上水，整块方糖会逐渐潮湿。 植物的微型管束能使根部水分和养分输送到枝叶。 大雨过后，通过锄地切断土壤中输水的毛细通道，使水分不能沿毛细通道上升到地表蒸发，可保持土壤水分,

12、29,CH07-液体表面-生医,毛细现象的应用,临床应用,外科用的手术缝合线要经过蜡处理， 棉球要脱脂处理后才能用来擦拭创面的污液,药物除湿及新鲜药材的除水大多需通过药材内 毛细管才能气化。 口服片剂后，片剂被浸润后通过毛细管作用使水分进入片剂，利于人体对药物的吸收,药学应用,30,CH07-液体表面-生医,2气体栓塞,润湿液体在细管中流动时，如果管中有气泡，液体的流动将受到阻碍，气泡多时可发生阻塞的现象,液体不流动,气体栓塞的起因,气泡表面的弯曲液膜所产生的附加压强,31,CH07-液体表面-生医,左端增加压强p,气泡产生阻力,液体才可移动,当,当,液体仍静止不动,静止状态压强关系,增加压强

13、正好等于气泡内的阻力压强,临界值,32,CH07-液体表面-生医,细管内有n个气泡,细管两端需外加压强差p n，管内液体才能流动,会产生n个阻力压强,若总压强差p n，就不能推动气泡和液柱移动，从而形成栓塞,管子越细，气泡曲率半径越小，越容易产生栓塞,33,CH07-液体表面-生医,气体栓塞的危害,输液管中的气泡会造成栓塞从而影响输液速度,给病人输液或打针前，要排尽针筒中的气体,当环境气压突然降低时，人体血管中在高压下溶解于血液中的气体，在正常压强下因溶解度下降会迅速释放形成气泡，很容易在微血管中形成栓塞,潜水员从深水上升到水面，都要有适当的缓冲时间。若迅速上升很容易造成血栓而致命,在温度升高

14、时，植物体内的水分也会析出气体，形成气泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎,34,CH07-液体表面-生医,四、表面活性物质与表面吸附,表面活性物质,加入后能降低溶液表面张力系数减小的物质。 水的表面活性物质的胆盐、有机酸、酚醛、肥皂等,表面活性物质加入溶剂后，溶剂-溶质分子引力f1小于溶剂-溶剂分子引力f2，迫使溶剂分子离开表面层进入液体内部，因此表面层中溶质浓度将增大,因表面活性物质聚焦在液体表面层，所以少量表面活性物质可以很大程度影响液体的表面性质，显著降低表面张力,35,CH07-液体表面-生医,表面非活性物质,加入后能使增大溶液表面张力系数的物质。 水的表面非活性物质有食盐

15、、糖类、淀粉等,表面非活性物质加入溶剂后，溶剂-溶质分子引力f1大于溶剂-溶剂分子引力f2，使溶质分子尽量离开表面层挤进液体内部，因此液体内部溶质浓度比表面层的大，使表面张力系数增大,36,CH07-液体表面-生医,表面吸附,表面活性物质聚集在液体的表面层，形成一种液体悬浮在另一种液体表面并伸展成薄膜的现象,如水面上的油膜就是常见的表面吸附现象,固体表面也能吸附一层表面活性物质(气体或液体,固体的吸附能力与其表面积成正比，随温度的增加而减弱,医学中利用粉状的白陶土或活性炭吸附胃肠道中的细菌、色素及食物分解出来的毒素,37,CH07-液体表面-生医,为什么大小肺泡可以共存,小泡不断变小，大泡不断变大,连通气泡实验,因为肺泡内壁分泌一定量的表面活性物质(由饱和卵磷脂和脂蛋白组成)；能调控不同大小肺泡的表面张力系数，稳定了大小肺泡，从而维持正常呼吸,38,CH07-液体表面-生医,肺泡的呼吸过程,R 活性物质密度,R 活性物质密度,吸气过程,呼气过程,密度大 小,密度小 大,大小肺泡内部压强相等,不会出现小肺泡萎缩现象,39,CH07-液体表面-生医,肺泡疾病,若肺泡内壁分泌的表面活性物