液体的表面性质.ppt

液体的表面现象 医用物理学 1 教学内容 了解产生液体表面现象的微观机制掌握表面张力系数以及表面张力掌握弯曲液面内的附加压强公式理解润湿与不润湿现象 毛细现象了解肺泡的压强 气体栓塞以及表面吸附现象等 第四章液体的表面现象 液体有哪些特性质 液体的性质介于固体与气体之间 一方面 它像固体一样具有一定的体积 不易压缩 另一方面 它又像气体一样 没有一定的形状 具有流动性 2 液体的性质与其微观结构有关 液体具有一定的体积 不易压缩 液体分子间距较气体小了一个数量级 分子排列较紧密 分子间作用力较大 其热运动与固体相似 主要在平衡位置附近作微小振动 液体没有一定形状 并具有流动性 这是由于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 由于液体分子间距小 分子间相互作用力较大 当液体与气体 固体接触时 交界处由于分子力作用而产生一系列特殊现象 即 液体表面现象 3 1 分子力的特点 斥力 引力 有效直径 有效作用半径 合力 斥力 引力 根据分子之间作用力对这种微观结构的进一步解释 4 6 微观力与宏观力的关系 3 表面层 4 表面能 表面层分子势能 内部分子势能 形成表面能 5 形成表面张力系统以势能最小的状态最稳定 液体有尽量缩小其表面的趋势 宏观表面为表面张力 球内分子引力 分子作用球 2 分子作用球 半径 R 球外分子无作用力 表面层分子受力 合力向下 5 7 界面 interface 密切接触的两相间的过渡区 约10 9 10 8m 有几个分子层厚 8 表面 surface 其中的一项为气体 习惯 如 气 固 气 液 五类界面 气 液 气 固 液 固 液1 液2 固1 固2 6 第一节表面张力表面能 一 表面张力 1 现象 说明 液面上存在沿表面的收缩力作用 这种力只存在于液体表面 2 液面像紧绷的橡皮膜具有弹性 1 液面有收缩到最小的趋势 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 7 表面张力 surfacetension 液体表面有收缩到最小的趋势 8 从分子运动论观点说明 分子作用球 在液体内部任取一分子A 以A为球心 以分子有效作用半径R为半径作一球 称为分子作用球 球外分子对A无作用力 球内分子对A的作用力对称分布 合力为零 2 表面张力产生的原因 9 从表面层中任取一分子B 其受合力与液面垂直 指向液内 这使得表面层内的分子与液体内部的分子不同 都受一个指向液体内部的合力 在这些力作用下 液体表面的分子有被拉进液体内部的趋势 在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势 10 任何系统的势能越小越稳定 所以表面层内的分子有尽量挤入液体内部的趋势 即液面有收缩的趋势 这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力 表面张力是宏观力 与液面相切 f 是微观力 与液面垂直 从能量观点来分析 把分子从液体内部移到表面层 需克服f 作功 外力作功 分子势能增加 即表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大 表面层为高势能区 各个分子势能增量的总和称为表面能 用E表示 11 二 表面张力系数 我们想象在液面上画一条直线段 线段两侧液面均有收缩的趋势 即有表面张力作用 该力与液面相切 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 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 由于线段上各点均有表面张力作用 线段越长 则合力越大 设线段长为l 则 f l 12 如图所示 铁丝框上挂有液膜 表面张力系数为 将AB边无摩擦 匀速 等温地右移 x 在AB边上加的力为 F 2 l 则在这个过程中外力F所做的功为 其中 S 2l x 是AB向右移动过程中液面面积的增量 外力克服分子间引力做功 表面能增加 若用 E表示表面能增量 则 三 表面张力系数的测定与表面能增量 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 或增加单位液体表面积时 表面能的增加 13 表面张力系数的测定 液滴测定法 A B d 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 14 四 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 密度小 易挥发的液体 值较小 如酒精的 值很小 金属熔化后的 值很大 与相邻物质性质有关 同一液体与不同物质交界 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 有的使其 值增加 有的使其 值减小 使 值减小的物质称为表面活性物质 15 部分液体的表面张力系数 16 第二节弯曲液面内外的压强差 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 附加压强是由于表面张力存在而产生的 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 其边界表面张力相互抵消 S内外压强相等 1 水平液面 17 2 弯曲液面 凸液面时 如图Ds周界上表面张力沿切线方向 合力指向液面内 Ds好象紧压在液体上 使液体受一附加压强ps 由力平衡条件可知 液面下液体的压强 附加压强与外部压强相同为正 相反为负 18 凹液面时 如图Ds周界上表面张力的合力指向外部 Ds如好象被拉出 液面内部压强小于外部压强 由力平衡条件可知 液面下液体的压强 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 附加压强方向恒指向曲率中心 19 3 球冠形液面 已知 呈凸状的弯曲液面上截出一个球冠形小液面 将其周边界分成许多小段 l 小段 l作用于该小液面上的表面张力大小为 f的方向与 l相切 现将分解成两个互相垂直的分量 f1 f2 如图所示 其中 f1的方向指向液面内部 f2方向平行于整液面 20 拉普拉斯球面附加压强公式球形液面附加压强与表面张力系数成正比 与球面半径R成反比 半径越小 附加压强越大 半径越大 附加压强越小 半径无限大时 附加压强等于零 这正是水平液面的情况 21 球形凸液面内压强 球形凹液面内压强 附加压强PS 由于液面弯曲 因表面张力而产生的 指向弯曲液面曲率中心的压强 PS并不是某处液体得压强值P 而是由于有弯曲液面的存在 所产生的压强的增量值 22 例1 已知某球形液膜的半径为R 表面张力系数为 求该球形液膜内外压强差 则 注意 弯曲液面的附加压强与液面层数有关 实际应用时要区分单层液面与双层液膜 若PA为标准大气压PO 则 23 例2 两个大小不同且同性质的液泡用一连通管联通 如果连通管中的阀门打开 会出现什么现象 分析 气体由A流向B 直到最终A形成一个球冠形液膜 且使得 这时有 24 例3 有一半径的球形肥皂泡 在标准大气压中形成 泡膜的表面张力系数 问此时泡内压强有多大 分析 设泡内的附加压强为 则泡内压强为 25 第三节毛细现象 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 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 水 玻璃 润湿 水 石蜡 不润湿 1 现象 26 2 润湿与不润湿的物理过程 1 附着层 固液接触处 厚度等R的一层液体 2 附着层内分子受力与液面形状 27 3 定量描述 1 接触角固液接触处 固体表面与液体表面的切线在液体内部形成的角 2 润湿 完全润湿 不润湿 完全不润湿 28 4 掺杂对接触角的影响 1 润湿剂 清洁剂 使减小 2 防水剂 使增大 5 典型的润湿与不润湿现象 1 纯水润湿洁净的玻璃 水银润湿洁净的锌板铜板或铁板 2 纯水不润湿石蜡 水银不润湿玻璃 29 二 毛细现象 润湿管壁的液体在细管里升高 不润湿管壁的液体在细管里下降的现象 1 现象 水 玻璃管液面上升 水银 玻璃管液面下降 2 本质 毛细管刚插入水中时 管内液面为凹液面 PC P0 PB P0 PB PC 根据流体静力学原理 静止流体同高的压强应该相等 B C为等高点 但PB PC 所以液体不能静止 管内液面将上升 直至PB PC为止 30 3 管内液面上升 或下降 的高度 由图 当 设毛细管半径为r 则 31 4 毛细现象的应用 悬着水 水沿土壤颗粒间隙形成的毛细管上升 叫毛细管上升水 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 当土壤温度变化时 悬着水两端温度不同 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 32 5 毛细现象的延伸 气体栓塞 举例 病人输液 潜水员由深水上浮 植物高温下枯萎 如图 毛细管中有一段液体 液体左右两端压强相等 形成对称的弯液面 欲使液柱向右移动 则在左侧加一压强 P 这时两侧液面形状改变 右侧曲率半径增大 左侧曲率半径减小 产生向左的附加压强差来抵抗 P 当 P达到一定程度时 液柱才能移动 当毛细管中有很多气泡 则外加几个大气压都不能使液柱移动 形成栓塞 称气体栓塞现象 33 第四节表面吸附和表面活性物质 一 表面活性物质 1 表面层收缩趋势越大 液体的表面张力系数越大 2 能够减小液体表面张力系数的物质称为该液体的表面活性物质水的表面活性物质有 胆盐 卵磷脂 肥皂 有机酸 3 能够增大液体表面张力系数的物质称为该液体的表面非活性物质水的表面非活性物质有 氯化钠 淀粉 糖类 4 表面活性物质和表面非活性物质是相对的 对某种液体是表面活性物质 对另一种液体则可能是表面非活性物质 34 二 表面吸附 保持液滴形状 伸展开成一薄膜 表面吸附现象 能够使溶液表面张力减小的溶质称为表面活性物质 固体吸附 吸附度 举例 白陶土 活性炭 净水器 35 探讨肺泡表面活性物质在肺呼吸过程中的作用 肺位于胸腔内 支气管在肺内分成许多小支气管 每个小支气管末端附有很多小气囊 称为肺泡 肺泡腔里是气体 肺泡壁则有一层液体 这样就构成了气液交界面 同时会在气液界面上存在向肺泡中心回缩的表面张力 若每个肺泡内气液界面的表面张力系数相同 小肺泡内的压强大于大肺泡内的压强 有可能使小肺泡萎缩 大肺泡膨胀 但这种情况在肺内并没有出现 原因就是表面活性物质的作用 肺泡表面液层中分布有一定量的 由肺泡II型细胞分泌的一种脂蛋白 它可起降低表面张力系数的作用 36 二 肺泡的活动 吸气时 肺泡扩张 表面积增加 表面活性物质浓度减小 表面张力系数增加 附加压强相对增加 保证肺泡不过分扩大 呼气时 肺泡缩小 表面积减小 表面活性物质浓度增加 表面张力系数减小 附加压强相对减小 保证肺泡不过分萎缩 肺泡大小变化时 表面活性物质的浓度随之改变 起着调节表面张力大小的作用 以至于保持肺泡大小变化不大 另外还稳定大小肺泡中的压强 不至于连通的肺泡中大肺泡变大 小肺泡缩小 37 注意 大小泡问题 第三章学习要点 一 表面张力1 概念 表面张力系数的定义2 影响表面张力系数的因素 大小 单层液面双层液膜 二 弯曲液面的附加压强方向 指向弯曲液面的曲率中心 38 三 润湿不润湿 毛细现象 2 毛细现象 注意 r 毛细管半径 中的 弯曲液面的曲率半径 39 练习 1 使液体表面张力系数减小的途径是或 2 已知某液体表面张力系数为 则恰好能把一个半径为R的细金属圆环从液体中拉出需用力为 3 一个半径为2 00 10 2m的肥皂泡它的内外压强差为 如果温度升高 此压强差将 a 25 0 10 3N m 4 两根材料相同的毛细管插入同一液体中 液面上升高度比为 2 3 两毛细管半径比 40 5 两个相同的毛细管 一个插在水里 水上升高度为 另一个插在酒精里 酒精上升高度为 管子插入时都是铅直的 表面张力系数 73 10 3N m 22 10 3N m 酒精密度 0 8g cm 设两种液体接触角 0 则 为 41 作业 53页习题4 34 44 54 6 42 ThankYou 43 练习 升温 掺入表面活性物质 1 使液体表面张力系数减小的途径是