液体的表面现象

第3章液体的外表现象Thesurfacephenomenaofliquid植物花瓣和叶面上的露珠玻璃板上的水银滴液体除了具有流体的一般特性外，它还有一个特殊的重要性质，即外表特性(surfacecharacterization

)。液体与气体和固体相接触时都有一界面，处于界面的分子同时受到同种分子以及气体或固体分子的作用力，因而产生一系列的特殊现象，称之为液体的外表现象(surfacephenomenaofliquid)。液体的外表现象(surfacephenomenaofliquid)包括:外表张力(surfacetension)、附加压强(additionalpressure)、毛细现象(capillarity)等本次课内容一、液体的外表张力surfacetension二、外表能surfaceenergy三、附加压强additionalpressure四、毛细现象与气体栓塞capillarity&airembolism五、外表活性物质surfactant

六、总结summary一、液体的外表张力surfacetension外表张力概念分子力、液体的外表层外表张力的方向thedirectionofsurfacetension外表张力的大小themagnitudeofsurfacetension外表张力：液体的外表如紧张的薄膜，有收缩成外表积最小的趋势，这说明液体的外表存在着张力，这种作用力叫外表张力〔surfacetension〕。自然现象：露珠，荷叶上水滴，雨点等呈圆形产生原因：分子相互作用的分子力。分子间的平衡距离r0为10

10m；FOrr0斥力引力109m液体分子的间距约10－10m，相邻几个液体分子间通常表现为引力。r<10

10m:斥力；10

10m<r<109m：引力r>109m:引力趋近0109m为半径作一球面，那么只有在这个球面内的分子才对位于球心的分子有作用力，此球称为分子作用球，球的半径为分子作用半径。FOrr0斥力引力109m外表层：液体外表取厚度等于分子作用半径的一层称为外表层surfacelayer。外表层B分子受力为0分子作用球10-9mB·外表层-----液表下厚度等于分子作用半径的一层液体称为外表层surfacelayer.外表层内的分子都有往液体内部迁移的趋势,从而使液体外表面积趋于缩小.A·A处分子受力A·外表张力的方向

thedirectionofsurfacetension外表张力是沿着液体的外表与液面相切并且与分界线相垂直的。外表层分子所受分子作用力：垂直液面向下外表张力：与液面相切，垂直分界线外表张力的大小

themagnitudeofsurfacetension假设在液面上作一长度为L的分界线，A、B两液面都以一定的拉力F作用于对方，其大小与长度L成正比：

ABFLABLFF为液体的外表张力系数coefficientofsurfacetension，它等于单位长度分界线上外表张力的大小。在国际单位制中，其单位为N/m(牛顿/米)，量值的大小取决于液体性质、温度。同一种液体，温度愈高，

值愈小。二、液体的外表能surfaceenergy外表层内的分子比液体内部的分子具有更多的势能。外表积越大，势能越大。系统的能量有减小到最小的趋势，所以只要有可能，外表积将减到最小。如果要增加液体的外表积，就得作功把液体内局部子移到外表层，从而增加了液面的势能。外表能surfaceenergy：液体外表的势能lººººABB'CC'D2

LF外表张力系数coefficientofsurfacetension:增加单位液体外表积所作的功，即：增加单位外表积时所增加的外表能单位长度上外表张力的大小思考：一半径为1mm的小水滴，分裂成8个小水滴，外表能是增加还是减少？三、弯曲液面的附加压强additionalpressure

平面、凸面、凹面的受力分析附加压强附加压强的大小〔球面，球膜〕现象解释静止的液体外表有平面和曲面两种形式。

SffPo

SPi

S曲面受力分析在液体外表上取一面积元S，S同时受到三个力的作用：外表张力、空气的压力PoS、外表内部液体的压力PiS〔重力忽略〕。液体的外表为平面时附加压强additionalpressure

：液面内外静压强差为液面的附加压强f

Sf平液面的附加压强Po

SPi

S结论：对于平面，附加压强为0凸液面的附加压强液体的外表为凸面时，合力F指向液体内部：结论：对凸面而言，液面内的压强大于液面外的压强。

SffFPo

SPi

S立体图F凹液面的附加压强结论：对凹面而言，液面内的压强小于液面外的压强。

液体的外表为凹面时，合力F指向液体外部：ffF

SFPi

SPo

S凸面和凹面的判断：液面相对于液体的形状曲面附加压强的大小

magnitudeofadditionalpressure

曲面内外的压强差，拉普拉斯公式：液面的附加压强与外表张力系数成正比，与液面的曲率半径成反比。液面为凸时，Ps取正，即指向液体内部液面为凹时，Ps取负，即指向液体外部。球膜附加压强RCAB球膜附加压强R

结论：球膜内部压强大于外部压强，内外压强差为：C、B两点间液面的附加压强为：即C点压强比B点大；B、A两点间液面的附加压强为：即B点压强比A点大；附加压强实验1.出现什么现象？2.最终结果是什么？四、毛细现象与气体栓塞

capillarity&airembolism湿润、不湿润现象wetting&non-wetting毛细现象capillarity

气体栓塞airembolism

湿润、不湿润现象

wetting&non-wetting让水滴滴到外表洁净的玻璃上，这些水滴很快扩展开并附着在玻璃上；如果让水银滴到玻璃上，水银滴会自动收缩成球形。湿润、不湿润现象

wetting&non-wetting由此可知，当液体与固体接触时，有两种情况，一种是液体与固体的接触面有扩大的趋势，液体易于附着固体，称为润湿现象wetting

；

另一种是液体与固体的接触面有收缩的趋势，称为不润湿现象non-wetting

。润湿、不润湿是由分子力决定的。产生原因

Origins

当内聚力大于附着力时，液体不润湿固体。当液体分子间的吸引力〔内聚力〕小于液体分子与固体分子间的吸引力〔附着力〕时，即：内聚力小于附着力，液体润湿固体；润湿、不润湿一般用接触角

来描述。

润湿不润湿不润湿润湿接触角是指在液体外表与固体外表的接触处作一与液面相切的切线，此切线与液体固体界面之间的夹角。 接触角contactangle

当

为锐角时，液体润湿固体；当

为零时，为完全润湿；当

为180

时，为完全不润湿。当

为钝角时，液体不润湿固体；毛细现象〔capillarity)h毛细现象〔capillarity)润湿液体在细管中上升或不润湿液体在细管中下降的现象称为毛细现象(capillarity)。毛细现象capillarity是外表张力现象surfacetension产生的另一个重要效应。能产生毛细现象的管子称为毛细管capillary

。上升：如水，下降：如水银毛细现象capillarity的计算Rr

hP0ABCP0〔1〕毛细管中液面上升的高度与外表张力系数成正比，与毛细管的内径成反比。管径越细液面上升越高。Rr

hP0ABCP0〔2〕不润湿液体在毛细管中下降的高度的计算式，此时接触角大于90，所以cos为负，表示管内液面低于管外液面。思考：液柱下降时，此时液面是凸面还是凹面？毛细现象在生命过程以及日常生活中都有重要的意义。植物的吸收和水分的输送，人体血液在毛细血管中的流动等过程，毛细现象都起着重要的作用。气体栓塞airembolism

液体在细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动将受到阻碍，气泡多时将能发生阻塞，这种现象称为气体栓塞(airembolism)。

气体栓塞是由于气体与液体间的曲面有附加压强additionalpressure而产生的。

ppP左P右液柱不动P左P右p液柱不动液柱开始移动人体血管栓塞人体血管中假设有气泡，当气泡很小时，可以通过血液循环从肺部排出，但假设气泡很大或多到一定量，那么将造成血液循环障碍。所以在静脉注射或输液中应特别注意防止空气输入到血管中。五、外表活性物质surfactant外表活性物质surfactant肺泡的物理现象外表活性物质surfactant溶液的外表张力系数是由溶液本身的性质决定的。当在一种溶液中参加另一种物质时，溶液的外表张力系数将可能改变。水的外表活性物质有：胆盐、肥皂、蛋黄素等。能够减小溶液外表张力系数的物质，称为外表活性物质。肺泡的物理现象

肺泡内壁附着有一层特殊的肺液，类似于一个个相互连通的微液泡。肺泡的物理现象

大肺泡的外表活性物质的浓度小于小肺泡的外表活性物质的浓度，所以大泡的外表张力系数大于小泡的外表张力系数。这样，大肺泡不会越来越大，小肺泡也不会越来越小。液体表面层表面张力表面能附加压强应用接触角毛细现象气体栓塞表面活性物质表面张力系数总结summary根本概念和规律〔1〕外表张力surfacetension〔2〕外表能surfaceenergy〔3〕曲面下附加压强additionalpressure〔4〕湿润和不湿润wetti