液体的表面现象2015

1、主讲教师：主讲教师：境自远尘皆入咏 物含妙理总堪寻3 3了解肺表面活性物质，毛了解肺表面活性物质，毛细现象和气体栓塞现象。细现象和气体栓塞现象。新生儿新生儿液体的表面存在一种使液面收缩成最小趋势的力，液体的表面存在一种使液面收缩成最小趋势的力，此力称为此力称为表面张力表面张力（surface tension )。 一、表面张力一、表面张力体积相同的各种形状中，体积相同的各种形状中，球形的表面积最小球形的表面积最小。 液体表面液体表面像像张紧的弹性膜一样，具有张紧的弹性膜一样，具有收缩的趋势收缩的趋势。 注意注意为什么会产生为什么会产生表面张力呢？表面张力呢？ 的的一一层层称称为为液液体体的的表

2、表面面层。层。表面张力的微观本质是：表面张力的微观本质是： 表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。说明：说明：力的作用是均力的作用是均匀分布的，力的方向与匀分布的，力的方向与液面液面相切相切；液面收缩至最小液面收缩至最小。垂垂直，直，并并与与液液面面相相切。切。若若液液面面为为平平面，面，表表面面张张力力就就在在平平面面内，内，若若液液面面为为曲曲面，面，表表面面张张力力就就在在曲曲面面的的切切面面上。上。FFLFLF/L )/(mN是反映液体表面性质的重要物理量。是反映液体表面性质的重要物理量。LF表示单位长度直线两边液面的相互作用拉力。表示单位

3、长度直线两边液面的相互作用拉力。P P7070的表的表5-15-1列出了一些液体的值，需用时可自行查阅。列出了一些液体的值，需用时可自行查阅。表面张力系数的基本性质表面张力系数的基本性质（1 1）不同）不同种类种类液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸 发的液体表面张力系数小。发的液体表面张力系数小。（2 2）同一种液体的表面张力系数与）同一种液体的表面张力系数与温度温度有关，温度越高，有关，温度越高， 表面张力系数越小。表面张力系数越小。（3 3）液体表面张力系数与）液体表面张力系数与相邻物质的性质相邻物质的性质有关。有关。（4 4）表面张力系数与）表面

4、张力系数与液体中的杂质液体中的杂质有关。有关。分子作用半径分子作用半径表面层表面层概念：概念：分子作用球分子作用球表面张力的微观本质表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。性引起的。从从能量的角度能量的角度来解释表面张力存在的原因。来解释表面张力存在的原因。分别以液体表面层分子分别以液体表面层分子A 和内和内部分子部分子B为球心、分子有效作用距为球心、分子有效作用距离为半径作球（离为半径作球（分子作用球分子作用球）。）。对于液体内部分子对于液体内部分子 B ，分子作用，分子作用球内液体分子的分布是球内液体分子的分布是对称的对称的；ABB

5、从统计上讲，其受力情况也是对称的，从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。所以沿各个方向运动的可能性相等。对于液体表面层的分子对于液体表面层的分子 A，分子作用球中有，分子作用球中有一部分在液体表面以外，分子作用球内下部液体分一部分在液体表面以外，分子作用球内下部液体分子密度大于上部；子密度大于上部；当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能。所以能。所以液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大液体

6、表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大。 统计平均效果统计平均效果所受合外力指向液体内部所受合外力指向液体内部，因，因此有向液体内部运动的趋势。此有向液体内部运动的趋势。AfLA 由于系统的势能有减小到最小的趋势，由于系统的势能有减小到最小的趋势， 因此因此表面层内的分子有进入液体内部的趋势。表面层内的分子有进入液体内部的趋势。 在没有外力影响下，液体应处于表面积最小在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态。这就是液面有收缩趋势的微观本质的状态。这就是液面有收缩趋势的微观本质从从力的角度力的角度看，就是有表面张力存在。看，就是有表面张力存在。 反之，要增加液体的表面积，就要做功把更多的液

7、体反之，要增加液体的表面积，就要做功把更多的液体分子提到表面上来，从而增加了液体的表面势能。我们把分子提到表面上来，从而增加了液体的表面势能。我们把增加单位液体表面积外力所做的功称为增加单位液体表面积外力所做的功称为液体的表面能液体的表面能(surface energy)(surface energy)。液体液体的表面能的表面能F 做功为：做功为：xFAxL 2SS 指的是这一过程中液体表面积的增量，指的是这一过程中液体表面积的增量，所以：所以：SA 表示表示增加单位表面积时，外力所需做的功。增加单位表面积时，外力所需做的功。LF2从做功的角度定义：从做功的角度定义：从表面能的角度定义：从表面

8、能的角度定义：由能量守恒定律，外力由能量守恒定律，外力 F 所做的功完全用于克服表面张力，从所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为而转变为液膜的表面能液膜的表面能 E 储存起来，即：储存起来，即：SAESE表面张力系数的三种表述表面张力系数的三种表述 )/(mNLF 大小等于作用在单位长大小等于作用在单位长度边界线上的表面张力。度边界线上的表面张力。 大小等于增加单位液体表面积外力所作的功。大小等于增加单位液体表面积外力所作的功。 )/(=2mJSSSA )/(=2mJSSSE-10.0250N m液解：解：根据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作的功，得 JRSA52321

9、028. 601. 014. 38100 .2542答：答：. 对于弯曲液面来说，由于对于弯曲液面来说，由于液体表面张力液体表面张力的存在，的存在，在靠近液面的两侧就形成一压强差在靠近液面的两侧就形成一压强差P 。弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强ffP0P1=P0s 水平液面水平液面100PPPPP外内P内内为液面内侧的压强，为液面内侧的压强，P外外为液面外侧的压强。为液面外侧的压强。PPP 外内10PPSfPP合合02合合ffsP0PP2 凹形液面凹形液面PP303PSfP合合表面张力的合力方向不同，决定了是表面张力的合力方向不同，决定了是P0还是还是P0 凸形液面凸形液面f合合fffP

10、0s=P0+P=P0-P200PPP 300PPP表面张力产生的附加压强表面张力产生的附加压强： 通过推导，一个曲率半径为R，表面张力系数为的弯曲液面的附加压强为： S2PR 对凸液面来说，液体表面内的压强大于液体表面外的压强，附加压强是正值； 对凹液面来说，液体表面内的压强小于液体表面外的压强，附加压强是负值。 拉普拉斯定律拉普拉斯定律RRR21解：分析解：分析 肥皂泡内外有两个液面，肥皂泡内外有两个液面，B、C间的液面是凸液面，间的液面是凸液面，A、B间的液面是凹间的液面是凹液面，根据附加压强公式，肥皂泡内外的液面，根据附加压强公式，肥皂泡内外的压强差压强差CBBACAPPPPPP)()(

11、CBBAPPPPRRR422 球面附加压强对了解肺泡的物理性质和呼吸球面附加压强对了解肺泡的物理性质和呼吸过程是很重要的。过程是很重要的。 S2PR一、表面活性物质一、表面活性物质 能使溶液表面张力系数减小的物质称为能使溶液表面张力系数减小的物质称为表面活性物质表面活性物质（surfactant)surfactant) 。 能使溶液表面张力系数增大的物质称为能使溶液表面张力系数增大的物质称为表面非活性物质表面非活性物质。 表面活性物质在溶液的表面聚集，并伸展成薄膜，这种表面活性物质在溶液的表面聚集，并伸展成薄膜，这种现象称为现象称为表面吸附表面吸附（surface adsorption） 。二

12、、肺表面活性物质二、肺表面活性物质小肺泡小肺泡大肺泡大肺泡小肺泡小肺泡RR22使使缺乏肺表面活性物质的相关疾病缺乏肺表面活性物质的相关疾病： 新生儿呼吸窘迫综合征、新生儿呼吸窘迫综合征、 窒息窒息 、肺水肿、肺水肿、 毛细支毛细支气管梗阻性肺炎、紫喘等。气管梗阻性肺炎、紫喘等。 附着层：附着层：在在液体与固体液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层。径的液体层。是由附着层分子力引起的是由附着层分子力引起的润湿润湿不润湿不润湿内聚力：内聚力：液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：附着力：固体分子对附着层内液

13、体分子的吸引力固体分子对附着层内液体分子的吸引力润湿和不润湿决定于润湿和不润湿决定于液体和固体的性质液体和固体的性质。内聚力内聚力大于大于附着力附着力A不润湿不润湿内聚力内聚力小于小于附着力附着力A润湿润湿f f 液体对固体的润湿程度由液体对固体的润湿程度由接触角接触角来表示。来表示。接触角：接触角：在液、固体接触时，固体表面在液、固体接触时，固体表面经过液体内部经过液体内部与液体表与液体表面所夹的角。面所夹的角。通常用通常用q q 来表示。来表示。液体液体润湿润湿固体；固体；当当 时，时，2q当当 时，时，2q液体液体不润湿不润湿固体；固体；当当 时，时，0q液体液体完全润湿完全润湿固体；固

14、体；当当 时，时，q液体液体完全不润湿完全不润湿固体；固体；q q润湿润湿q q不润湿不润湿Af 将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种现象称为凸液面，液体将在管内下降。这种现象称为毛细现象毛细现象。hh能够产生毛细现象的细管称为能够产生毛细现象的细管称为毛细管毛细管。1、毛细现象产生的原因、毛细现象产生的原因毛细现象毛细现象是由于是由于液体表面张力液体表面张力和和润湿或不润湿现象润湿或不润湿现象共共同作用同作用

15、引起引起的。的。 如果如果液体对固体润湿液体对固体润湿，则接触角为则接触角为锐角锐角。 固固体体液体液体h如果如果液体对固体不润湿液体对固体不润湿，则接触角为则接触角为钝角钝角。 固固体体液体液体h 容器口径非常小，附加压强的存容器口径非常小，附加压强的存在将使在将使管内液面升高管内液面升高，产生，产生毛细现象毛细现象。 容器口径很小，附加压强的存在容器口径很小，附加压强的存在将使将使管内液面降低管内液面降低，产生，产生毛细现象毛细现象。2、毛细管中液面上升或下降的高度、毛细管中液面上升或下降的高度如图，一截面半径为如图，一截面半径为 r 的毛细圆管，液体润的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为湿

16、管壁，接触角为q q 。设管内液面为一半径为设管内液面为一半径为 R 的凹球面。的凹球面。qcosRr 由几何关系可知：由几何关系可知：RABCr0Phq q附加压强为：附加压强为：rPPCqcos20ghPPABghrPPBqcos20得：得：又又0PPPABgrhqcos2最终得出：最终得出： 润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。若液体不润湿管壁，则若液体不润湿管壁，则q2h可得：可得： 为负值，管内液面为负值，管内液面下降下降。grhqcos2第七章

17、第七章 分子动论分子动论 如果让细管中的液体流动起来，液体表面会有什么变化呢？如果让细管中的液体流动起来，液体表面会有什么变化呢？如图所示的实验装置，当活塞不施加压强如图所示的实验装置，当活塞不施加压强（ 假设活塞下的气柱中压强为大气压假设活塞下的气柱中压强为大气压P0 ）时，即）时，即grhqcos2给活塞施加压强并逐渐增大，发现给活塞施加压强并逐渐增大，发现当施加的当施加的压强很小时，液面并不降低压强很小时，液面并不降低，只是液面的曲率半，只是液面的曲率半径变小了。径变小了。只有当压强增加到一定程度液面才下降。只有当压强增加到一定程度液面才下降。气体栓塞现象：气体栓塞现象：当液体在毛细管中

18、流动时，如果管中出当液体在毛细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动会受阻，如果气泡产生得多了，就现气泡，液体的流动会受阻，如果气泡产生得多了，就会堵住毛细管，使液滴不能流动。这种现象称为气体栓会堵住毛细管，使液滴不能流动。这种现象称为气体栓塞现象。塞现象。PP左左P左左 P右右PPPP右右P左左P左左 = P右右PPP右右P左左P左左P右右P右右nPPP P气体栓塞现象的危害：气体栓塞现象的危害：（1 1）静脉注射或肌肉注射时要将针管中的气体排除后再注射）静脉注射或肌肉注射时要将针管中的气体排除后再注射；（2 2）当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶）当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶 解度下降而析出形成气泡；解度下降而析出形成气泡；比如比如: :潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。（3 3）在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气）在温度升高时，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。泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。减压舱减压舱 1.1.为什么有些昆虫能浮于水面上而不下沉？为什么有些昆虫能浮于水面上而不下沉？2.2.为什么只有弯曲的液面才能产生附加压强？为什么只有弯曲的液面才能产生附加压强？3