[理学]第二章液体表面性质ppt课件

1、第二章第二章 液体的外表性质液体的外表性质2.22.2弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强2.32.3润湿和不润湿润湿和不润湿 毛细景象毛细景象2.42.4悬着水和气体栓塞景象悬着水和气体栓塞景象2.52.5弯曲液面上的饱和蒸汽压弯曲液面上的饱和蒸汽压第二章第二章 液体表面性质液体表面性质 液体没有一定外形，并具有流动性。液体没有一定外形，并具有流动性。 液体分子振动的平衡位置不固定，是近程有序，即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坚持一定的规那么性。在很小范围内在一短暂时间里坚持一定的规那么性。液体外表：液体外表：液体与气体、固体接触时，交界处构成外表层及

2、附液体与气体、固体接触时，交界处构成外表层及附着层。着层。液体具有一定的体积，不易紧缩。液体具有一定的体积，不易紧缩。 液体分子间距为液体分子间距为10-10 m10-10 m，分子陈列较严密；，分子陈列较严密； 分子力较大分子力较大, ,其热运动与固体类似其热运动与固体类似 , ,主要在平主要在平衡位置附近作微小振动。衡位置附近作微小振动。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质一、外表张力一、外表张力1.1.景象：景象：2.2.外表张力外表张力 (2)(2)外表张力：液体的外表层中有一种使液面尽能外表张力：液体的外表层中有一种使液面尽能够收缩成最小的宏观张力。够收缩成最小的宏观张力。(1)(

3、1)外表层：在液体与气体交界面，厚度等于分外表层：在液体与气体交界面，厚度等于分子有效作用半径子有效作用半径R R 的一层液体。的一层液体。R=10-9m1 1蚊子可以站在水面上；蚊子可以站在水面上；2 2钢针可以放在水面上；钢针可以放在水面上；3 3荷花上的水珠呈球形；荷花上的水珠呈球形；4 4肥皂膜的收缩；肥皂膜的收缩；第二章第二章 液体表面性质液体表面性质处于液体外表层的分子处于液体外表层的分子合力不等于零，合力的方合力不等于零，合力的方向指向液体内部，垂直液面。向指向液体内部，垂直液面。从分子运动论观念阐明从分子运动论观念阐明(3)(3)外表张力产生的缘由外表张力产生的缘由分子作用球：

4、在液体中，一个分子作用球：在液体中，一个引力作用半径引力作用半径R R 的球。的球。液体内部分子液体内部分子, ,遭到的力必定球对称，合力等于零；遭到的力必定球对称，合力等于零；液面液面外表层外表层液面内部液面内部 R 第二章第二章 液体表面性质液体表面性质处于液体内部的分子由于受平衡力作用处于液体内部的分子由于受平衡力作用, ,能量较低；能量较低；处于液体外表层的分子平衡被破坏，具有较高的势能。处于液体外表层的分子平衡被破坏，具有较高的势能。液体外表能液体外表能= =外表层分子较液体内部分子所高出的势能外表层分子较液体内部分子所高出的势能液体系统，处于稳定形状时，具有最低的外表能。应液体系统

5、，处于稳定形状时，具有最低的外表能。应包含最少的分子数，也要求具有最小的外表积。故包含最少的分子数，也要求具有最小的外表积。故液体外表总具有收缩的趋势，液体外表张力就是收缩液体外表总具有收缩的趋势，液体外表张力就是收缩的趋势的表现。的趋势的表现。从能量观念来分析从能量观念来分析第二章第二章 液体表面性质液体表面性质外表张力与液面相切外表张力与液面相切, ,与线段垂与线段垂直，指向各自的一方直，指向各自的一方, ,分别用分别用f f 和和ff表示，这恰为一对作用力表示，这恰为一对作用力与反作用力，与反作用力， f = - f f = - f。(4)(4)外表张力外表张力 为外表张力系数，数值上等

6、于单位长度直线段为外表张力系数，数值上等于单位长度直线段两侧液面的外表张力，单位：两侧液面的外表张力，单位：N / m N / m 设线段长为设线段长为l , l , 那么线段上的那么线段上的外表张力作用外表张力作用, , ：f =l f =l ff 第二章第二章 液体表面性质液体表面性质。(5)(5)外表张力系数与外表能增外表张力系数与外表能增量量将将ABAB边无摩擦、匀速、等温地边无摩擦、匀速、等温地右移右移x x，那么在这个过程中外，那么在这个过程中外力力F F 所做的功为所做的功为: :其中其中S = 2lS = 2lx ,x ,是右挪动过程中液面面积的增是右挪动过程中液面面积的增量。

7、量。SxlxFA 2SAE SASE 外表张力系数在数值上等于添加单位液体外表积时，外表张力系数在数值上等于添加单位液体外表积时，外力所需做的功。或等于添加单位液体外表积时，外力所需做的功。或等于添加单位液体外表积时，外表能的添加。外表能的添加。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质使使值减小的物质称为外表活性物质。值减小的物质称为外表活性物质。(6)(6)影响外表张力系数的要素影响外表张力系数的要素与液体的性质有关：不同液体，与液体的性质有关：不同液体，值不同；值不同；与温度有关：温度升高，与温度有关：温度升高，值减小，两者近似呈线性值减小，两者近似呈线性关系；关系；与相邻物质性质有关：同一

8、液体与不同物质交界，与相邻物质性质有关：同一液体与不同物质交界，值不同；值不同；与液体内所含杂质有关：在液体内参与杂质，液体的与液体内所含杂质有关：在液体内参与杂质，液体的外表张力系数将显著改动。外表张力系数将显著改动。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质二、外表张力系数测定二、外表张力系数测定 质量为质量为m的待测液体吸入移液管，的待测液体吸入移液管，由管口下端缓慢流出，构成袋状由管口下端缓慢流出，构成袋状水滴。当外表张力缺乏以支持重水滴。当外表张力缺乏以支持重力时，水滴下落，那么：力时，水滴下落，那么：W=fdnmgdnmgnnmgWdf 总总滴滴数数:液滴法液滴法拉脱法拉脱法毛细管法毛

9、细管法第二章第二章 液体表面性质液体表面性质与水接触的油的外表张力系数与水接触的油的外表张力系数 a=1.810-2Nm-1 ，为了使，为了使 1.010-3 kg 的油滴在水内分布成半径的油滴在水内分布成半径 r = 10-6m 小油滴，小油滴，分布过程可以以为是等温的，油的密度为分布过程可以以为是等温的，油的密度为=900kgm-3。 设一个半径为设一个半径为R R 的大油滴等温地分布成的大油滴等温地分布成N N 个小油滴，因此个小油滴，因此所需作的功为所需作的功为SW)(422RNrS例例解解油的质量油的质量 m 不变，那不变，那么么334Rm 343rmN3143mR334rNm求求需

10、求作多少功需求作多少功J10062 .W可得：可得：第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2.2 弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强 自然界中有许多情况下液面是弯曲的，弯曲液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，称为附加压强面内外存在一压强差，称为附加压强, 用用Ps 表示。表示。一：附加压强的产生一：附加压强的产生 1. 1.平液面平液面 在液体外表上取一小面积在液体外表上取一小面积S ,S ,由于液面程度，外表张由于液面程度，外表张力沿程度方向，力沿程度方向，S S 平衡时平衡时0PS Pff00ppps第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2.2.液面弯曲液面弯曲

11、S 0PsPPff00pppsss1)1)凸液面凸液面2 凹液面附加压强为：附加压强为：00ppps附加压强为：附加压强为：总之：附加压强使弯曲液面内外压强不等，与液面总之：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曲率中心同侧的压强恒大于另一侧S 0PsPPff第二章第二章 液体表面性质液体表面性质二、球形液面附加压强二、球形液面附加压强在周界上取一线元在周界上取一线元dl，作用在，作用在dl上的外表张力上的外表张力将将dfdf分解为半径分解为半径r r垂直和平行的垂直和平行的两个分力两个分力lfddcosdcosdd/lffsindsinddlffdf/df/df

12、dfrABCRdl第二章第二章 液体表面性质液体表面性质圆周界上力的程度分力相互抵消，圆周界上力的程度分力相互抵消，垂直分力方向一样，合力为：垂直分力方向一样，合力为：RrfRrrdldffr2202,sin2sinsin则由于附加压强附加压强RrRrrfps22222拉普拉斯球面附加压强公式拉普拉斯球面附加压强公式Rpp20凸液面：Rpp20凹液面：df/dfdfrABCRdl第二章第二章 液体表面性质液体表面性质三三. .球形液膜内、外压强差球形液膜内、外压强差 如图如图, ,由于球形液膜很薄，内外由于球形液膜很薄，内外膜半径近似相等，设膜半径近似相等，设A A、B B、C C 三三点压强

13、分别为点压强分别为PA PA 、PB PB 、PC PC ，那么：那么：RPPAC 4 膜内压强大于膜外压强，膜内压强大于膜外压强，并与半径成反比。并与半径成反比。RPPAB 2 RPPCB 2 RPRPCA 22 RO ACB第二章第二章 液体表面性质液体表面性质第二章第二章 液体表面性质液体表面性质第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2.3 2.3 润湿和不润湿润湿和不润湿 毛细景象毛细景象 润湿润湿: 液体沿固体外表液体沿固体外表延展的景象，称液体润延展的景象，称液体润湿固体。湿固体。一、润湿与不润湿一、润湿与不润湿1. 定义定义不润湿：液体在固体外不润湿：液体在固体外表上收缩的景象，

14、称液表上收缩的景象，称液体不润湿固体。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。润湿、不润湿与相互接触的液体、固体的性质有关。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质 在液体与固体接触面的边境处任取一点，作液在液体与固体接触面的边境处任取一点，作液体外表及固体外表的切线，这两切线经过液体内部体外表及固体外表的切线，这两切线经过液体内部的夹角称接触角的夹角称接触角 ，用，用 表示。表示。 2. 接触角接触角液液体体润润湿湿固固体体；,2 。液液体体完完全全润润湿湿固固体体，0 液液体体不不润润湿湿固固体体；,2 。液液体体完完全全不不润润湿湿固固体体， 第二章第二章 液体表面性

15、质液体表面性质内聚力：附着层内分子所受液体内聚力：附着层内分子所受液体 分子引力之和分子引力之和3. 微观解释微观解释附着力：附着层内分子所受固体附着力：附着层内分子所受固体 分子引力之和分子引力之和附着层：在固体与液体接触处，厚度等于液体附着层：在固体与液体接触处，厚度等于液体 或固体分子有效作用半径以大者为准的一层液体或固体分子有效作用半径以大者为准的一层液体附附f内内fA 第二章第二章 液体表面性质液体表面性质(2)(2)当当 f f附附 f f f内内,A ,A 分子所受合力分子所受合力 f f 垂直于附着层指向固体，液体内部分垂直于附着层指向固体，液体内部分子势能大于附着层中分子势能

16、，附着子势能大于附着层中分子势能，附着层扩展，宏观上表现为液体润湿固体。层扩展，宏观上表现为液体润湿固体。fAfA第二章第二章 液体表面性质液体表面性质二、毛细景象二、毛细景象 1.1.毛细管毛细管毛细管插入水中或插入水银中毛细管插入水中或插入水银中如：如：钢笔尖钢笔尖 毛巾棉纱纤维间隙毛巾棉纱纤维间隙 土壤的团粒构造土壤的团粒构造 植物根、茎、叶中的脉络植物根、茎、叶中的脉络第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2.2.毛细景象毛细景象cosRr grgRhcos22液体在毛细管中上升液体在毛细管中上升( (或下降或下降) )高度高度毛细管半径为毛细管半径为r r ，R R为凹液面曲率半径为

17、凹液面曲率半径RCBAr0PhghPPABRPPAO20PPPBC因因2.ghR得得第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2.4 悬着水和气体栓塞景象悬着水和气体栓塞景象 土壤中的毛细管起着分配、坚持土壤中的水分作用。土壤中的毛细管起着分配、坚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坚土壤毛细管中存在的水叫悬着水，其在土壤毛细管中能坚持的缘由是：持的缘由是：RPRRSAB2,由于如图一、悬着水一、悬着水当悬着水两端温度不同时，温度当悬着水两端温度不同时，温度高的一端高的一端值减小，导致该端值减小，导致该端Ps 减减小，使悬着水向温度低处挪动。小，使悬着水向温度低处挪

18、动。ghPPPPPPABABSASB,所以AB.第二章第二章 液体表面性质液体表面性质二二. .气体栓塞景象气体栓塞景象 当液体在毛细管中流动时，假设管中出现了气泡，液体当液体在毛细管中流动时，假设管中出现了气泡，液体的流动就要遭到妨碍，气泡产生多了，使液体不能流动，的流动就要遭到妨碍，气泡产生多了，使液体不能流动，这种景象称为气体栓塞景象这种景象称为气体栓塞景象举例举例: 病人输液；潜水员由深水上浮；植物高温下枯萎。病人输液；潜水员由深水上浮；植物高温下枯萎。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质例题例题2 2 一根一根U U形玻璃管左右内半径分别为形玻璃管左右内半径分别为R = 1.5mm

19、R = 1.5mm和和r= r= 0.50mm0.50mm，如下图，试求两管中水面的高度差，如下图，试求两管中水面的高度差h h。 解：设水完全润湿玻璃管。细管内解：设水完全润湿玻璃管。细管内C C点与点与A A点同高度。点同高度。 B点压强为点压强为C点压强为点压强为由流体静力学原理有由流体静力学原理有PA = PC ，即，即 代入数据可得代入数据可得 h = 2.010-2m = 2.0cm A A点压强为点压强为RrhABCRPPA20ghppBCrPPB20hrPRPg2200)11(2Rrgh所以所以第二章第二章 液体表面性质液体表面性质 例题例题3 3 如下图，内半径为如下图，内半

20、径为r r的毛细管注入某种液体，液体完的毛细管注入某种液体，液体完全润湿管壁。管的下端构成一个液滴，其外形可视为半径为全润湿管壁。管的下端构成一个液滴，其外形可视为半径为R R的球面的一部分。求证管中液柱长度为的球面的一部分。求证管中液柱长度为解解 ： A A处的压强处的压强PAPA等于大气压强等于大气压强P0P0与附与附加压强加压强2 2/R /R 两者之和，即两者之和，即RPPA20 B点处的压强为rPPB20根据流体静力学原理有根据流体静力学原理有PA-PB=gh)(rRggrRgPPhBA11222管中水柱的高度管中水柱的高度 hBA第二章第二章 液体表面性质液体表面性质grhcos2

21、 液体沿毛细管液体润湿管壁液体沿毛细管液体润湿管壁“自动地上升的高度自动地上升的高度假设毛细管的实践高度假设毛细管的实践高度 h0 比液体上升的高度比液体上升的高度 h 小，小，液体能否自动从管子中流出来构成液体能否自动从管子中流出来构成“毛细永动机毛细永动机？hP0AP0设：液体润湿管壁的接触角设：液体润湿管壁的接触角q ，构成凹形液面，构成凹形液面，即即 A 点的压强为点的压强为 ，在大气压的作用下，液面会上，在大气压的作用下，液面会上升；升；002PRPPAgRh2假设毛细管显露水面的长度足够，液面会上升假设毛细管显露水面的长度足够，液面会上升 。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质h

22、P0AhP0A 当曲率半径增大到当曲率半径增大到 时，时， A 点压强增点压强增大大 ，液面不再上升。，液面不再上升。02ghR00ghPPA 因此，即使毛细管的实践高度因此，即使毛细管的实践高度 h0 比液体上升的高度比液体上升的高度 h 小，也不会构成毛细永动机。小，也不会构成毛细永动机。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2.5 弯曲液面上的饱和蒸汽压弯曲液面上的饱和蒸汽压一、蒸发和凝结一、蒸发和凝结 液体变成气体的过程称汽化过程。常温下的汽化过程液体变成气体的过程称汽化过程。常温下的汽化过程称蒸发，其逆过程称凝结。称蒸发，其逆过程称凝结。从微观角度看，动能大的分子从液面逸出，设其分子

23、数为从微观角度看，动能大的分子从液面逸出，设其分子数为n逸逸 , 从外面前往的分子数设为从外面前往的分子数设为n回。回。凝凝结结；）（逸逸回回 nn1蒸蒸发发；）（逸逸回回 nn2饱饱和和蒸蒸汽汽压压。饱饱和和蒸蒸汽汽饱饱和和（动动平平衡衡）在在密密闭闭容容器器中中，当当）（逸逸回回 nn3 第二章第二章 液体表面性质液体表面性质二、影响饱和蒸汽压的要素二、影响饱和蒸汽压的要素1. 定性分析定性分析压压小小。，阻阻止止蒸蒸发发，饱饱和和蒸蒸汽汽凹凹液液面面：外外内内PP 压压大大。，促促进进蒸蒸发发，饱饱和和蒸蒸汽汽凸凸液液面面：外外内内PP 液体本身的性质液体本身的性质: :对于内聚力较小容

24、易挥发的液体，外表对于内聚力较小容易挥发的液体，外表层内的分子受液体内部作用力较小，饱和蒸汽压较大。层内的分子受液体内部作用力较小，饱和蒸汽压较大。温度：温度： 温度越高，分子无规那么热运动越猛烈，外表层的分子温度越高，分子无规那么热运动越猛烈，外表层的分子越容易摆脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高。越容易摆脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高。三、弯曲液面上的饱和蒸汽压三、弯曲液面上的饱和蒸汽压第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2. 定量分析定量分析设弯曲液面上的饱和蒸汽压为设弯曲液面上的饱和蒸汽压为:平液面上的饱和蒸汽压为平液面上的饱和蒸汽压为: CPCP(1) 凹液面凹液面A B

25、D CP CPh 0 ghPPCC0ghRPghPPPPCDABC2gRh）（02 RPPCC 200 第二章第二章 液体表面性质液体表面性质(2) 凸液面凸液面RPPCC 200 B D A 0 CPCPh弯曲液面上的饱和蒸汽压弯曲液面上的饱和蒸汽压: 凹液面凹液面:RRPPCC 22000 凸液面凸液面:RRPPCC 22000 同理可证凸液面上的饱和蒸汽压同理可证凸液面上的饱和蒸汽压 和程度液面上的饱和蒸汽压和程度液面上的饱和蒸汽压 PC PC 之之差差CP第二章第二章 液体表面性质液体表面性质压压小小。，阻阻止止蒸蒸发发，饱饱和和蒸蒸汽汽凹凹液液面面：外外内内PP 水蒸气易在凹液面上部

26、凝结水蒸气易在凹液面上部凝结压压大大。，促促进进蒸蒸发发，饱饱和和蒸蒸汽汽凸凸液液面面：外外内内PP 水蒸气不易在凸液面上部凝结水蒸气不易在凸液面上部凝结“过饱和蒸气过饱和蒸气 “凝结核凝结核作凝结核凝结核作用用.swf四、饱和蒸汽压与水的凝结四、饱和蒸汽压与水的凝结第二章第二章 液体表面性质液体表面性质五、运用五、运用暖云暖云冷云冷云混合云混合云水蒸气水蒸气凝结凝结雨雨3.3.熏烟防霜冻熏烟防霜冻1. 1. 云云2.2.人工降雨人工降雨水蒸气水蒸气凝华凝华雪雪大水滴大水滴雨或雪雨或雪凝结核凝结核蒸汽中的蒸汽中的杂质微粒杂质微粒碘化银、氯化钠、硫化物等碘化银、氯化钠、硫化物等第二章第二章 液体

27、表面性质液体表面性质如今对植物水分向上运输机制由三种观念：如今对植物水分向上运输机制由三种观念：1、毛细作用、毛细作用玉米茎的横切面构造玉米茎的横切面构造多年生植物朱槿茎的横切面构造多年生植物朱槿茎的横切面构造第二章第二章 液体表面性质液体表面性质grhcos2m1028 . 910107325330.74m第二章第二章 液体表面性质液体表面性质2、浸透作用、浸透作用 半透膜只允许小分子经过，而不允许糖类分子、蛋半透膜只允许小分子经过，而不允许糖类分子、蛋白质分子等大分子经过，这一特性将使左右两边水的白质分子等大分子经过，这一特性将使左右两边水的浓度相等。浓度相等。MNH2O由于浸透作用，由于

28、浸透作用，U 形管左侧液面将升高，右侧液面将降低；形管左侧液面将升高，右侧液面将降低； 必需在左侧液面施加一个压强必需在左侧液面施加一个压强 P 才干使左右液面平齐，这个压强称为才干使左右液面平齐，这个压强称为浸透压。浸透压。P第二章第二章 液体表面性质液体表面性质实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是浸透压呵斥的。实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是浸透压呵斥的。 在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻时水分经过浸透作用进入根系，迫度糖溶液。土壤解冻时水分经过浸透作用进入根系，迫使树液上升，直到浸透压等于树液液柱产

29、生的压强为止。使树液上升，直到浸透压等于树液液柱产生的压强为止。浸透压可以使树液上升到浸透压可以使树液上升到 30m 以上的高度。以上的高度。冷杉冷杉 这时无论是毛细作用还是浸透作用都无法满足这时无论是毛细作用还是浸透作用都无法满足水分向上运输的需求，或许还有其他的运输机制。水分向上运输的需求，或许还有其他的运输机制。第二章第二章 液体表面性质液体表面性质澳大利亚桉树澳大利亚桉树156m美国红杉树美国红杉树115.2米米第二章第二章 液体表面性质液体表面性质3、负压强作用、负压强作用如下图的安装，活塞下的容器中充溢水。如下图的安装，活塞下的容器中充溢水。 实验证明，必需对活塞施加实验证明，必需对活塞施加 25 300105 Pa 的压的压强才干将活塞与水柱分