ch3液体的表面现象

第3章液体的表面现象,也许你曾经留意,也许你曾有所思,为什么,毛笔出水自聚合,植物叶面水成滴,蚊子站立水面上,钢针水上不沉落,气球越吹越省力,肥皂溶水起泡膜,秋冬多有雾弥漫,清晨常见地潮湿,上述现象皆有因,本章内容道根底,毛细管中水升位,纸张见水便润湿,与固体接触的液体表面存在润湿和不润湿现象；,上述两种现象使得细管（即毛细管）中的液体有毛细现象。,与气体接触的液体表面存在表面张力现象，从而使弯曲液面内外有附加压强差；,液体的表面,表面层,液体与气体的分界面,液体与另一种液体的分界面,附着层,液体与固体的分界面,3.1液体的表面张力,3.2弯曲液面的附加压强,3.3毛细现象,3.4蒸发与凝结,本章内容：,3.1液体的表面张力,一、液体的微观结构,液体分子间作用力显著。,宏观上表现为不易压缩性。,液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内移动。,液体分子在每一个平衡位置上振动的时间。,分子的定居时间：,不同液体，随着温度、压强的不同，定居时间不同。,在液体与气体的分界面处厚度等于分子有效作用半径的那层液体称为液体的表面层。,当外力作用时间定居时间,表现为液体的流动性,当外力作用时间0还是Ps0,凸形液面：,所以,表面张力的合力s合的方向与凹面法线方向相反，,s,=P0+Ps,=P0-Ps,即,二、球形液面的附加压强,ds/,ds,ds,r,（附加压强与表面张力的定量关系）,作用在dl液块上的表面张力,表面张力的合力为,由于，,所以,得,球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比，与液面的曲率半径成反比。,同理可以证明,对于凹形液面,如图，,dl,如果液面外大气压为P0，在平衡状态下，,凸球形液面内液体压强为,凹球形液面内液体压强为,弯曲液面的附加压强为作用在单位面积上的表面张力的合力。,球形液膜，两个球形面的半径近似相等,C,A,B,液膜外表面为凸液面，有,液膜内表面为凹液面，有,附加压强为：,球形液滴内液体的压强为,则球形液膜内气体的压强为,一肥皂泡的直径为5cm，其表面张力系数为2510-3Nm-1。,解,P内,P外,由题意，得：,则,例,试计算肥皂泡内的计示压强。(即泡内压强与大气压强之差),求,解,例,求,如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右两端吹成一大一小两个液泡。（假设肥皂薄膜厚度为定值）,如果打开连通管，气体会怎么运动？,肥皂泡内气体压强为,打开连通管后气体将从B流向A。,由于,所以,那么形成B的肥皂薄膜最后会不会流经连通管，完全到达A,?,已知直径d=0.01mm的空气泡在水下的深度h=20cm处，设水面压强为大气压P0=1.013105Pa，已知水的密度r=103kgm-3，水的表面张力系数a=7210-3Nm-1。,解,由题意得：,而,所以,例,求,气泡内空气的压强。,3.3毛细现象,一、润湿和不润湿,附着层：,在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层。,取决液体和固体的性质,润湿,不润湿,内聚力：,液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力,附着力：,固体分子对附着层内液体分子的吸引力,润湿和不润湿是由附着层分子力引起的。,内聚力大于附着力,A,不润湿,内聚力小于附着力,A,润湿,液体对固体的润湿程度由接触角来表示。,接触角：,在液、固体接触时，固体表面经过液体内部与液体表面所夹的角。,通常用q来表示。,液体润湿固体；,当时，,当时，,液体不润湿固体；,当时，,液体完全润湿固体；,当时，,液体完全不润湿固体；,q,润湿,q,不润湿,附着层,附着层,二、毛细现象,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，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种现象称为毛细现象。,能够产生毛细现象的细管称为毛细管。,1、毛细现象产生的原因,毛细现象是由于润湿或不润湿现象和液体表面张力共同作用引起的。,如果液体对固体润湿，则接触角为锐角。,h,如果液体对固体不润湿，则接触角为钝角。,h,容器口径很小，附加压强的存在将使管内液面升高，产生毛细现象。,容器口径很小，附加压强的存在将使管内液面降低，产生毛细现象。,设管内液面为一半径为R的凹球面,附加压强为：,即,2、毛细管中液面上升或下降的高度,如图，一截面半径为r的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为q。,由几何关系可知：,R,r,又,且,得：,h,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。,讨论,(1)若液体不润湿管壁，则,可得：,管内液面下降。,(2)在完全润湿或完全不润湿的情况下，=0或=，则：,(3)毛细管内径越小，a越大，h的绝对值越大。,毛细管能提升水位到一定高度，其不可以用从毛细管流出的水做功而设计出毛细管永动机吗？,唉！,三、毛细作用的典型实例,(1)土壤毛细水,土壤颗粒对水的吸附作用而使水润湿土粒并在表面形成一层水膜，称为吸附水，难以被植物吸收；,由于毛细管作用而在空隙中形成“楔形”弯液面，处在空隙中的“楔形”水称为毛管水，不易流失而且容易被植物吸收，在农业生产中具有重要意义。,夜间土壤表层温度低，水的表面张力系数较大；而在土壤较深层温度较高，水的表面张力系数较小，水分会沿毛细管上移。所以拂晓时分土壤表层水分含量高于正常水平。,保持土壤水分是农业增产的一个重要问题。,对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被液态水充满，通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。为了保持土壤中适当的含水量：,(1)增加腐殖质不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结构，增加毛管水的贮量；,(2)温室中通常以渗流灌溉并对土壤含水量进行适时监控；,(3)对于田间耕种，旱田播种后把地表压实可以使土壤颗粒之间形成较好的毛细管，利于水分上升至地表；而冬天则应把土壤翻松，破坏土壤的毛细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉。,(2)毛细永动机能否制造出来？,由可知：,液体沿毛细管（液体润湿管壁）“自动地”上升的,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”？,高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。,实际上，毛细永动机是不可能存在的。,P0,A,P0,液体润湿管壁会产生一定的接触角q，形成凹形液面，,从而产生一定的附加压强，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h0n时，宏观上则表现为蒸发；,当nn，直到液体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停止。,而在密闭容器中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液体的分子数也不断增多，当n=n时，液气达到动态平衡，此时的蒸汽叫做饱和蒸汽，由它而产生的压强叫做饱和蒸汽压。,二、饱和蒸汽压,在一定温度下，饱和蒸汽压具有恒定的值，与其体积的大小以及有无其它气体存在无关。,对于容易挥发的液体，表面层内的分子受液体内部分子束缚较小，饱和蒸汽压较大。,三、影响饱和蒸汽压的因素,(1)液体本身的性质:,(2)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。,(3)液面的弯曲情况：,如图所示,当容器内液体和蒸汽达到平衡时,水平液面上方饱和蒸汽压为PC，而毛细管内弯曲液面上方饱和蒸汽压为PC，液体和饱和蒸汽的密度分别为r和r。,毛细管半径为r，接触角为。,h,A,B,则,即,得,由于，所以，即凹形液面上的饱和蒸汽压小于水平液面上的饱和蒸汽压，蒸汽容易发生凝结现象。,如土壤从孔隙空气中吸收大量的水分。,同理可以证凸液面上的饱和蒸汽压和水平液面上的饱和蒸汽压PC之差的计算公式,凸液面上方饱和蒸汽压较大，蒸汽就不易在凸液面上凝结。,有时蒸汽压强已超过水平液面上饱和蒸汽压的几倍，仍无法形成液滴。这种蒸汽称为过饱和蒸汽。,因为,所以,四、典型实例,人工降雨,小水滴,凝结,大水滴,雨或雪,凝结核,蒸汽中的杂质微粒,被水润湿,碘化银、氯化钠、硫化物等,秋冬季节温度降低时，地面上空的蒸汽密度超过了该温度下饱和蒸汽的密度，蒸汽凝结成水珠，形成霜露、雾。,秋、冬季节的霜露、雾现象,第3章液体的表面现象,主要内容：,液体的表面张力、表面能、液体与固体接触处的表面现象，弯曲液面的附加压强，生物组织和土壤中的毛细现象。,基本要求：,理解液体表面张力、表面张力系数的三个定义，能求解弯曲液面的附加压强、毛细管内液面上升或下降的高度，了解液体表面张力、毛细现象在生物组织和土壤中的应用。,课堂作业,判断题:,(1)表面张力系数与液面的大小有关。,(2)表面张力是由于液面层分子受力不对称引起的。,(3)液体的表面能与表面积成正比。,(4)对于凸形液面，液内压强小于液外压强。,(5)毛细现象完全是由表面张力引起的。,填空题:,(1)液体具有特殊的表面性质，在与空气接触处形成的表面表现出，而在与固体接触处形成的表面出现现象。,(2)当附着力大于内聚力时，液体固体表面；而当内聚力大于附着力时，液体固体表面。,(3)液体对固体的润湿程度可用接触角来说明，当为角时，液体润湿固体；而当为角时，液体不润湿固体。,(4)随着温度的升高，液体的表面张力系数（减小，增大，不变）。,单选题:,(1)两个大、小不同的肥皂泡用玻璃管相连，说法正确的是：,A、大泡内的压强大于小泡内的压强；,B、相通后，大泡越来越大，小泡越