[理学]第二章液体表面性质.ppt

,第二章 液体的表面性质,2.2弯曲液面的附加压强,2.1 液体的表面张力,2.3润湿和不润湿 毛细现象,2.4悬着水和气体栓塞现象,2.5弯曲液面上的饱和蒸汽压,液体没有一定形状，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，即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的规则性。,液体表面： 液体与气体、固体接触时，交界处形成表面层及附着层。,液体具有一定的体积，不易压缩。 液体分子间距为10-10 m，分子排列较紧密； 分子力较大,其热运动与固体相似 ,主要在平衡位置附近作微小振动。,2.1 液体的表面张力,一、表面张力,1.现象：,2.表面张力,(2)表面张力：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。,（1）蚊子能够站在水面上；,（2）钢针能够放在水面上；,（3）荷花上的水珠呈球形；,（4）肥皂膜的收缩；,处于液体表面层的分子合力不等于零，合力的方向指向液体内部，垂直液面。,从分子运动论观点说明,(3)表面张力产生的原因,分子作用球：在液体中，一个引力作用半径R 的球。,液体内部分子,受到的力必定球对称，合力等于零；,液面,表面层,液面内部,R,处于液体内部的分子由于受平衡力作用,能量较低；,处于液体表面层的分子平衡被破坏，具有较高的势能。,液体表面能=表面层分子较液体内部分子所高出的势能,液体系统，处于稳定状态时，具有最低的表面能。应包含最少的分子数，也要求具有最小的表面积。故,液体表面总具有收缩的趋势，液体表面张力就是收缩的趋势的表现。,从能量观点来分析,表面张力与液面相切,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。,(4)表面张力,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,设线段长为l , 则线段上的表面张力作用, ：f =l,。,(5)表面张力系数与表面能增量,将AB边无摩擦、匀速、等温地右移x，则在这个过程中外力F 所做的功为:,其中S = 2lx ,是右移动过程中液面面积的增量。,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。或等于增加单位液体表面积时，表面能的增加。,使值减小的物质称为表面活性物质。,(6)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；,与温度有关：温度升高，值减小，两者近似呈线性关系；,与相邻物质性质有关：同一液体与不同物质交界，值不同；,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。,二、表面张力系数测定,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,液滴法,拉脱法,毛细管法,与水接触的油的表面张力系数 a=1.810-2Nm-1 ，为了使 1.010-3 kg 的油滴在水内散布成半径 r = 10-6m 小油滴， （散布过程可以认为是等温的，油的密度为=900kgm-3）。,设一个半径为R 的大油滴等温地散布成N 个小油滴，因而所需作的功为,例,解,油的质量 m 不变，则,求,需要作多少功,可得：,2.2 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，弯曲液面内外存在一压强差，称为附加压强, 用Ps 表示。,一：附加压强的产生 1.平液面,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,2.液面弯曲,1)凸液面,2） 凹液面,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，与液面曲率中心同侧的压强恒大于另一侧,二、球形液面附加压强,在周界上取一线元dl，作用在dl上的表面张力,将df分解为半径r垂直和平行的两个分力,df/,df,df,dl,圆周界上力的水平分力相互抵消，垂直分力方向相同，合力为：,附加压强,拉普拉斯球面附加压强公式,df/,df,df,dl,三.球形液膜内、外压强差,如图,由于球形液膜很薄，内外膜半径近似相等，设A、B、C 三点压强分别为PA 、PB 、PC ，则：,膜内压强大于膜外压强，并与半径成反比。,例：打开活塞后，两肥皂泡将如何变化？,达平衡时怎样？,2.3 润湿和不润湿 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,1. 定义,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。,在液体与固体接触面的边界处任取一点，作液体表面及固体表面的切线，这两切线通过液体内部的夹角称接触角 ，用 表示。,2. 接触角,内聚力：附着层内分子所受液体 分子引力之和,3. 微观解释,附着力：附着层内分子所受固体 分子引力之和,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,(2)当 f附 f内,A 分子所受合力 f 垂直于附着层指向液体内部，液体内部分子势能小于附着层中分子势能，附着层收缩，宏观上表现为液体不润湿固体。,(1)当 f附 f内,A 分子所受合力 f 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，附着层扩展，宏观上表现为液体润湿固体。,二、毛细现象,1.毛细管 毛细管插入水中或插入水银中,如： 钢笔尖 毛巾棉纱纤维间隙 土壤的团粒结构 植物根、茎、叶中的脉络,2.毛细现象,液体在毛细管中上升 (或下降)高度,毛细管半径为r ，R为凹液面曲率半径,R,r,h,因,得,2.4 悬着水和气体栓塞现象,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：,一、悬着水,当悬着水两端温度不同时，温度高的一端值减小，导致该端Ps 减小，使悬着水向温度低处移动。,二.气体栓塞现象,当液体在毛细管中流动时，如果管中出现了气泡，液体的流动就要受到阻碍，气泡产生多了，使液体不能流动，这种现象称为气体栓塞现象,举例: 病人输液；潜水员由深水上浮；植物高温下枯萎。,例题2 一根U形玻璃管左右内半径分别为R = 1.5mm和r= 0.50mm，如图所示，试求两管中水面的高度差h。 解：设水完全润湿玻璃管。细管内C点与A点同高度。,B点压强为,C点压强为,由流体静力学原理有PA = PC ，即,代入数据可得,h = 2.010-2m = 2.0cm,A点压强为,所以,例题3 如图所示，内半径为r的毛细管注入某种液体，液体完全润湿管壁。管的下端形成一个液滴，其形状可视为半径为R的球面的一部分。求证管中液柱长度为,解 ： A处的压强PA等于大气压强P0与附加压强2/R 两者之和，即,B点处的压强为,根据流体静力学原理有,PA-PB=gh,管中水柱的高度,问题讨论：毛细永动机能否制造出来？,液体沿毛细管（液体润湿管壁）“自动地”上升的高度,如果毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度 h 小，液体能否自动从管子中流出来形成“毛细永动机”？,P0,A,P0,设：液体润湿管壁的接触角q ，形成凹形液面，,即 A 点的压强为 ，在大气压的作用下，液面会上升；,如果毛细管露出水面的长度足够，液面会上升 。,如果毛细管露出水面的长度 h0 h ，则当液体上升到管口时，液面的曲率半径将增大，从而附加压强减小，PA 增大。,当曲率半径增大到 时， A 点压强增大 ，液面不再上升。,因此，即使毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度 h 小，也不会形成毛细永动机。,2.5 弯曲液面上的饱和蒸汽压,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，设其分子数为n逸 , 从外面返回的分子数设为n回。,二、影响饱和蒸汽压的因素,1. 定性分析,液体本身的性质:对于内聚力较小（容易挥发）的液体，表面层内的分子受液体内部作用力较小，饱和蒸汽压较大。,温度： 温度越高，分子无规则热运动越剧烈，表面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。,三、弯曲液面上的饱和蒸汽压,2. 定量分析,设弯曲液面上的饱和蒸汽压为:,平液面上的饱和蒸汽压为:,(1) 凹液面,(2) 凸液面,弯曲液面上的饱和蒸汽压:,凹液面:,凸液面:,同理可证凸液面上的饱和蒸汽压 和水平液面上的饱和蒸汽压 PC 之差,水蒸气易在凹液面上部凝结,水蒸气不易在凸液面上部凝结,“过饱和蒸气”,“凝结核”凝结核作用.swf,四、饱和蒸汽压与水的凝结,五、应用,暖云,冷云,混合云,水蒸气凝结雨,3.熏烟防霜冻,1. 云,2.人工降雨,水蒸气凝华雪,六、植物水分的运输机制,现在对植物水分向上运输机制由三种观点：,1、毛细作用,植物体内的主要输水管道木质部导管是一个典型的毛细管系统，它由许多丧失了原生质的死细胞构成，直径约为 0.04mm 0.05mm。,玉米茎的横切面构造,多年生植物（朱槿）茎的横切面构造,室温条件下，水的表面张力系数约为a = 73103 Nm-1，取毛细管的半径 r =0.02 mm ，假设水完全润湿毛细管壁，得：,这个结论似乎说明对于低矮的植物靠毛细现象就可以满足水分向上运输的需要。,实际上植物导管的上端并不是敞开的（与上述毛细管模型不同），导管中从上到下均充满了水分，而且毛细现象无法满足稍高的植物的输水需要，更不要说参天大树了。,2、渗透作用,在生命系统中有许多膜相结构都是半透膜，如细胞膜、动物的膀胱、肠衣等，它们都存在渗透现象。,如图所示的 U 形管底部有一半透膜 MN 将糖溶液分成两个浓度不同的区域，左侧浓度高，右侧浓度低。,半透膜只允许小分子通过，而不允许糖类分子、蛋白质分子等大分子通过，这一特性将使左右两边水的浓度相等。,H2O,溶质浓度低相当于水的浓度高，溶质浓度高相当于水的浓度低，所以水分子将通过半透膜向溶质浓度高的区域扩散，这种现象称为渗透现象。,由于渗透作用，U 形管左侧液面将升高，右侧液面将降低；,必须在左侧液面施加一个压强 P 才能使左右液面平齐，这个压强称为渗透压。,实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是渗透压造成的。,在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻时水分通过渗透作用进入根系，迫使树液上升，直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止。渗透压可以使树液上升到 30m 以上的高度。,然而，在夏季，新陈代谢旺盛的植物根部的糖浓度要下降，此时单靠渗透压的作用是不够的。而且有些植物可以高达 60m 以上，如冷杉。,冷杉,这时无论是毛细作用还是渗透作用都无法满足水分向上运输的需要，或许还有其他的运输机制。,澳大利亚桉树156m,美国红杉树115.2米,3、负压强作用,如图所示的装置，活塞下的容器中充满水。,实验证明，必须对活塞施加 25 300105 Pa 的压强才能将活塞与水柱分离。,显然，这不仅仅有大气压的作用，最主要的作用是液体的内聚力，即分子间的作用力。液体向内拉周围物体的作用，称为负压强作用。,正是因为负压强作用，当水分不断从叶片中蒸发出去或参与植物组织中的生化反应时，水分能够从根部源源不断向上供给。,由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零，因此气体不能产生负压强。,在冬季，如果木质部导管中溶液冻结，冰