2011表面张力及毛细现象b.ppt

表面张力与毛细现象,一、液体的界面,液体与气体的差别气体分子间的距离通常较大，而液体分子间的距离缩短了，分子力的作用显著增加，液体分子由于互相吸引，表现出气体分子所没有的内聚力和自由表面。,液体和固体、器官组织接触处有一个附着层。,在液体的表面，无论是在液体与空气之间的自由表面，或是在两种不能混合的液体之间的界面，或是在液体与固体之间的界面，各个方向的物理性质就不相同，即各向异性。,在液体内部由于分子的紊乱运动，液体在各个方向的物理性质都是完全相同的，即各向同性。,表面张力现象,传统的表面张力实验有：浮针、浮币、金属框肥皂膜等,水黾的高明之处：1、既不会划破水面，也不会浸湿自己的腿。2、它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离，这相当于一位身高1.8米的人以每小时400英里的速度游泳。,表面张力的演示实验,橄榄油滴浮在同密度的水和酒精的混合液体中，由于表面张力的作用，油滴形成完美的球形。,表面张力（surfacetension）,如果在金属线框中间系一线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。,(a),(b),由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反，所以线圈成任意形状可在液膜上移动，见(a)图。,如果刺破线圈中央的液膜，线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚的显示出表面张力的存在。,表面张力产生的原因，可以用分子间相互作用的分子力来加以解释。,液体具有收缩其表面，使表面积达到最小的趋势。这说明液体表面存在着张力，这种张力称为表面张力。,表面张力,表面张力形成的原因,分子间的作用力,而当分子间的距离大于10-9m时，引力很快趋于零。,当两分子间的距离大于r0而在10-1010-9m时，分子间的作用力表现为引力;,当两个分子间的距离r=r0时，分子间的作用力为零。,分子间的平衡距离r0的数量级约为10-10m。,未考虑分子间斥力作用平衡时情况如何？,-黄淑清热学教程,表面层内分子势能较体内高,可见,位于液体表面层内的液体分子都受到了一个指向液体内部的力的作用。在这些力的作用下，液体表面就处于一种特殊的紧张状态，在宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有表面张力。,体内的分子A：同时受到其它分子的吸引力和相邻分子的排斥力。它们各自平衡,即合力为零;同时它们又相互平衡。在液体表面层的分子B则不同。由于分子作用球的破缺,引力不平衡,其合力方向向下;这也使得斥力不平衡,合力向上,以与平衡。,从横向(水平)看,分子的吸引力和排斥力，它们各自平衡（平面内轴对称）。表面层分子的密度小于内部的分子密度,分子间的平均距离大于平衡距离r0,.分子间作用力表现为引力。分子B受到的横向引力要大于横向斥力,故宏观上表面层表现出一个收缩的张力。,曲面下的附加压强,如果液面是凹面，如图（C）所示，表面张力的合力将指向液体外部，对液面下的液体则产生一个负压力。,如果液面是凸面，如图（b）所示，因表面张力沿周界与液面相切，则沿周界各个方向的表面张力F将产生一个指向液体内部的合力（正压力）。,在图（a）中，液面是水平的，则表面张力F也是水平的，因此作用在AB周界上的表面张力相互平衡。P0与P产生的压力也是相互平衡的。,附加压强与哪些因素有关呢？下面我们就球形液面的附加压强进行讨论。,这种由于液面弯曲，由表面张力所产生的压强，即弯曲液面内外的压强差叫做附加压强，以P表示。,与水平液面相比，由于液面弯曲，凸液面下的液体的压强大于液体外部的压强，凹液面下的液体的压强小于液体外部的压强。,此式表明，球形液面的附加压强和表面张力系数成正比，与曲率半径R成反比。曲率半径越小，附加压强越大。,如果液面是凸的，曲率中心在液体内部，P取正值，说明液面内的压强大于液面外的压强；,上式称为球形液面的拉普拉斯公式。,如果液面是凹的，曲率中心在液体外部，P取负值，说明液面内的压强小于液面外的压强。,球形液膜内外的附加压强及实验：,由于液膜具有内外两个表面，所以球形液膜内外的压强差球膜的附加压强：,发现小泡将越来越小，大泡越胀越大。这就是小泡的附加压强大于大泡的附加压强的缘故。,一些有趣的表面张力实验,解释：,演示实验：,在中央滴入几滴肥皂液,把一块小的塑料泡沫漂浮于水面,不管怎样拨动泡沫,可看到它总是停在靠杯壁的地方,即使把它拨向水面中央亦如此慢慢地向杯内注入水,直至水面高出杯口而未溢出,可以看到,不管怎样拨动,泡沫每次都停在水面正中的位置,即使把它拨到边上它还是要浮到中间来,将一根洗干净的玻璃棒插入水中,逐渐靠近浮水泡沫至某一距离,发现泡沫向玻璃棒“亲近”,直至碰在一起球形液面下的附加压强公式为:所以，平常见到的湖面上所漂浮的杂物总是靠在一起。,表面能表面比本体有更多的能量使一个体系形成新的表面是需要做功,或者说要给体系一定的能量,如把肥皂泡吹大,把木材劈开等,液体的表面能增加单位液体表面积所作的功。其又称为表面自由能，是在等温条件下能转变为机械能的表面内能部分。这种势能是和液面的面积成正比的。,表面能,从功能关系来考察表面张力系数与液体表面能的关系。见图5-6。,外力所作的功为,那么液体表面能的减小可以通过下面任一种自动过程来实现：,即增加单位液面所增加的势能。,自动减小S表面积最小。（球形）自动减小物体表面总会吸附一些表面张力低的物质,如油污。,由上式可知，在数值上等于增加单位液面时外力所作的功，从能量的角度看，其大小等于增加单位液面时所增加的表面自由能。,（Jm-2）,影响表面张力的因素液体的种类：密度小的、容易蒸发的液体的表面张力系数较小温度的高低：温度升高,减小温度升高，汽液两相差别减小。当达到临界温度时,汽液两相的差别消失,表面层也不复存在,表面张力应减小为零。-热力学分析与液体上方的物质有关,（1）与物质的本性有关分子间相互作用力越大，越大。,例：气液界面：(金属键)(离子键)(极性键)(非极性键),影响表面张力的因素,表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。,液体的纯净度能使表面张力系数减小的物质称为表面活性物质,压力的影响,表面活性溶液至少由两种分子组成。由于溶质分子与溶剂分子之间的作用力与纯液体不同，因此，溶液的表面张力除与温度、压力、溶剂的性质有关外，还与溶质的性质和浓度有关。实验表明，水溶液表面张力随浓度变化规律大致有如右图所示的三种类型。图中0为纯水在测定温度下的表面张力,类型1：溶液表面张力随溶液浓度增加而线性增大。多数无机盐。（如NaCl，NH4Cl）、酸、碱及蔗糖、甘露醇等多羟基有机物的水溶液属于这一类型。这类物质常称为“非表面活性物质”。类型2：溶液表面张力随溶液浓度增加而逐渐降低。这种类型的例子包括大多数低分子量的极性有机物。如醇、醛、酸、酯、胺及其衍生物。类型3：这种类型的特点是；当浓度增加时，迅速下降并很快达最低点，此后溶液表面张力随浓度变化很小。达到最低点时的浓度一般在1%以下。,溶质使溶剂表面张力降低的性质称为表面活性，具有表面活性的溶质称为表面活性物质如类型2和类型3）。由于类型3表面活性物质具有在低浓度范围内显著降低表面张力的特点，这类物质也称为表面活性剂。例如在25时，在0.008moldm-3的十二烷基硫酸钠水溶液中，水的表面张力从0.072Nm-1降到0.039Nm-1。,从结构上看，表面活性物质是两亲分子，一端亲水（OH,COOH,SO3Na等),另一端亲油（憎水）（R等）。,2007年11月23日，英国伦敦博物馆，SamHeath（右），又被称为泡泡人Samsam，用一个巨大的肥皂泡将50名学生罩起来。2008.8月17日中午，长沙市第七中学科学馆，一只巨大的肥皂泡将60余名学生圈在一只五彩斑斓的肥皂泡中。这次的巨型泡泡使用了近600斤肥皂水和一个长6米宽3米的道具。,人们熟知，肥皂水或洗涤剂的稀释溶液很易吹成肥皂泡很易扩大其表面积这一点正说明较小，肥皂及洗涤剂是一种表面活性物质。它们的洗涤功能也来自其表面活性，这种洗涤称为物理洗涤。物理洗涤主要通过形成泡沫来达到洗涤的目的，洗衣时揉和搓的动作就有外力作功使之转变为泡沫的表面能的作用，由于升高温度有利于的减小，所以热水洗衣优于冷水。在冶金工业上，为了促使液态金属结晶速度加快，也在其中加入表面活性物质。,表面活性物质在呼吸过程中起着重要的作用：1、稳定肺泡；2、减少呼吸功。,肺泡的表面液层中分布着有一定量的、由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性物质，起降低表面张力系数的作用。,而对于肺充气来说，大部分压力是来克服表面张力的。,在充满空气的肺中，既有肺组织的弹性力，又有衬在肺泡表面液层组成的气、液界面上的表面张力。,人的肺泡总数约为3亿个，各个肺泡的大小不一，而且有些肺泡是相连的。,呼气时，肺泡体积减小，单体面积上的表面活性物质的量增多，减小了肺泡的表面张力系数，即减小了表面张力，从而防止了肺泡的过分萎缩。,吸气时，肺泡体积增大，而表面活性物质的量不变，故单位面积上的表面活性物质的量随体积增大而减小，结果使肺泡的表面张力系数增大，即增大了表面张力，从而限制了肺泡的继续膨胀；,实验表明，正常呼气后，肺泡通常稳定在它最大尺寸的1/4，即肺内还有余气，这使接下来的吸气变得容易一些。,肺泡上表面活性物质对表面张力系数的调控作用，保证了呼吸过程的正常进行。,关于表面张力的错误认识,浮币是受重力和液体表面张力而平衡浮币是受重力、浮力和液体表面张力而平衡浮币并没有受表面张力的作用，也没有受到浮力的作用，而是液膜的支持力。如一些小昆虫在水面上自由走动。,润湿:液体沿固体表面延展的现象，称液体润湿固体。(水玻璃),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。(水石蜡),润湿、不润湿与相互接触的液体、固体的性质有关。,毛细现象及应用,内聚力：附着层内分子所受液体分子引力之和。,2.微观解释,润湿、不润湿是由于分子力不对称而引起。,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垂直于附着层指向固体，液体内部分子势能大于附着层中分子势能，液体内的分子尽量挤进附着层，使附着层扩展，宏观上表现为液体润湿固体。,在液体与固体接触面的边界处，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。,3.接触角,O,O,注意：两切线通过液体内部的夹角称接触角,引起弯曲的原因是汽液固三相会合点四力作用的结果,1805年杨氏方程,毛细现象及应用,毛细现象：,将粗细均匀的细玻璃管插入盛于容器中的液体中，管中液面将高于或低于容器液面且管径越细容器液面和管中液面高差越大.这种润湿管壁的液体在细管中升高，不润湿管壁的液体在管中降低的现象,研究h与r、关系。将半径为r的毛细管插入液体中，若两者是润湿的，则液面形成凹面，而球形凹面将产生附加压强，PB0管中液面上升；当完全润湿时=0h=2/rg3）对不润湿管壁的液体，毛细管液面是凸形的,为钝角，h0管中液面下降。当完全不润湿时=180h=2cos/rg4）利用h=2cos/rg可测定,关于液体在毛细管中上升的高度,一般认为接触角只决定于固体和液体,一旦固体与液体一定则接触角就一定.此结论欠妥当,不全面的.,毛细永动机：,同一根细玻璃管在干燥和湿润两种情况下插入水中液柱在管中上升的高度略有不同.玻璃管内液柱上表面的弯曲程度发生变化,杨氏方程：,否定毛细永动机的理论解释原因均在于固汽界面的表面张力Fg-s改变，接触角可随管长不同而变化,三、毛细现象的能量来源,液柱上升，作正功,毛细作用的势能为：,重力势能为：,三、毛细现象的能量来源,系统的总势能为：,根据稳定平衡时势能最小的原理,由得平衡时毛细管中的液体的高度为：h=2cos/grE1=-42cos2/gE2=22cos2/gE=-22cos2/g=1/2E1=-E2,当毛细管插入液体中液面升高时，液体的重力势能增大，毛细作用的势能减少，两者并不相等，从毛细现象开始发生到平衡时止，所减少的毛细作用势能为所增加的重力势能的两倍。可见，整个过程中，系统的总势能不断减小，减小到最小时，系统达到平衡。毛细现象发生时，整个系统势能增加的观点是错误的总势能不变，分子势能转化为重力势能观点也是错误的（不能自发发生），也可从熵的角度分析,减小的毛细作用的势能另一半转化为液柱动能若系统无摩擦阻力，则液柱将在毛细管中围绕平衡位置作简谐振动。但实际上存在着摩擦，振动就很快消失，这部分能量就转化为系统的内能。最终以热的形式传到外界环境中去了。,四、毛细现象的应用,毛巾擦汗，外科用脱脂棉擦创面的污液；吸湿剂，酒精灯芯等农业上-土壤中毛细栓塞,毛细现象在科学技术和日常