热学液体PPT学习教案

1、会计学1热学液体热学液体 若认为每一个粒子都是大小相同的刚性球，图（a）是这些小球密堆积后的图形，如规则的晶体结构，每一个粒子周围有6个最近邻粒子。图（a）第1页/共40页图 ( b ) 图（b）是先在某个中心粒子周围排列5个粒子，然后由里向外，按每个原子周围均有5个粒子那样去排列。可见，这是一种疏松的排列，这样的系统仅在中心粒子周围数个粒子线度内具有排列的有序性。第2页/共40页 把能反映出一定的排列规律性的粒子的群体称为一个单元。液体，就是由很多个类似的单元组成。同一单元粒子排列取向相同，不同单元粒子排列取向不同，所以液体具有短程有序，长程无序的特征。第3页/共40页0.10.30.50.

2、70.9123O0)(rr/10-9 m液态汞（高度单位任意）平均固态汞 利用x射线、电子或中子射线衍射可以测定物质的径向分布函数 。下图是利用 x射线衍射方法测的的液态汞和晶体汞的径向分布函数 。 r r第4页/共40页说明： （1）液体曲线在距离足够大 时， 趋向一条水平线，说明液体确实和气体一样具有长程无序。mr9101 r （2）在 时，曲线有起伏，第一个峰与晶态汞的晶体衍射峰位置接近，第一个谷与晶体的第二个衍射峰接近。 mr9101 可见，在短程（几个分子直径线度）的范围内，液体有与晶体相类似的有序性。液体在小范围内出现“半晶体状态”的微观结构。第5页/共40页 此外，液体分子排列较

3、疏松，液体内部有许多微小的空隙，可以溶解或吸收少量气体分子。液体沸腾时的气泡即由溶解在液体内部的气体积聚而成。水生物也依靠水中溶解的空气而生存。二、液体分子的热运动 实验说明，液体中的分子与晶体中分子一样在平衡位置附近作振动。不同单元分子振动模式不同，但这种状况仅保持一短暂时间，由于涨落等因素，单元会被破坏，并且新组成新单元。第6页/共40页 可作如下比喻：所有分子都过着游牧生活，短时间迁移和比较长期的定居生活相互交替。两次迁移之间所经历的平均定居时间 比分子在单元中振动周期长得多。 的大小与分子力和热运动有关； 分子越紧密， 越大，分子越不易移动； 分子运动越剧烈， 越小，分子越易迁移。第7

4、页/共40页三、非晶态固体与液体 非晶态固体属固体材料，但它的微观结构却与液体非常类同，可以认为它是一种没有流动性的液体或是 的液体。 因 ，外力作用于非晶态固体的时间总是远小于 ，所以它能呈现弹性形变。 可以估计到，当外力作用的时间远小于液体 时，液体也会发生弹性形变，范性形变与断裂。在非常强的冲击力作用下，液体也会象玻璃那样碎裂。第8页/共40页一、热传导 与非晶态固体相似，液体的热传导主要借助于分子间的振动，导热系数很低。二、热容（3）实验证实，液体的热容与温度有关。 （2）固体的体膨胀系数小，可认为固体的 液体的体膨胀系数比固体大的多，所以 要比固体大。mvmpCC,mvmpCC, （

5、1）固体与液体的热容相差甚小，说明液体分子也是在平衡位置附近作振动。第9页/共40页三、扩散 假设在单原子分子组成的二维液体中，有一标号为 i 的分子,它与其邻近分子 p、q、r、s、t 组成一个单元，从而存在一个短程有序。tpirxqsxaEdEdE(x)Ek第10页/共40页 i 分子受其他分子作用而处于深度为 的势阱中作热运动，分子只有克服分子的吸引力，同时把分子推开后，才能穿过单元的边界而逸出，在新的位置又于其他分子组成新的单元。液体分子的扩散就是这样一步步跳过去的。其形式与固体中填隙原子的扩散十分类似。dE液体分子越过能量 的势垒的概率正比于 dE)exp(kTEd故液体的扩散系数：

6、)exp(kTEDDdo其中 D0 是一常数， 为液体扩散的激活能。dE第11页/共40页 可以认为，平均每一分子在两次跳动之间的时间间隔就等于平均居留时间越短，扩散速率就越大D1)exp(0kTEd为与居留时间有关的常数o第12页/共40页四、粘性 液体分子受单元中其他分子作用力的束缚，不可能在相邻两流层间运动而输运动量，因而粘性较气体大. 液体的粘性与单元对分子的束缚力有关。束缚的强弱与 有关， 与 有关， 大，流动性小，粘度大。dEdE实验证实：)exp(kTEdo为一常数o第13页/共40页一、表面张力与表面能 表面张力是作用于液体表面上使液面具有收缩现象的一种力表面张力系数 ：液体表

7、面单位长度上的表面张力。Lf如图，若使BC保持不动ABCDFLF2第14页/共40页若BC移动dx,则外力作功dsLdxFdxdA2可见，表面张力系数等于增加单位表面积时，外力所需做的功从能量角度考虑： 外力F 做的功dA 完全用于克服表面张力，从而转变为表面能 F表dsdAdF表第15页/共40页说明:表面张力系数 在数值上等于在等温条件下增加单位面积时，所增加的表面能（热力学中称表面自由能）。dsdF表二、表面能与表面张力系数 微观上看，表面张力是由于液体表面的过渡区域（称为表面层）内分子力作用的结果。第16页/共40页 表面层的厚度大致等于分子有效作用距离R0 , 其数量级约为 .m91

8、0R0液体气体液体表面层f合 液体内部分子受力平衡。但因表面层分子的作用球中或多或少总有一部分是密度很低的气体，使表面层内任意分子受分子力不平衡，其合力是垂直于液面并指向液体内部。如图第17页/共40页表面张力产生的原因： 在这种分子力的合力作用下，液体由尽量缩小它的表面积的趋势，因而使液体表面像拉紧的膜一样。 如前所述，外力克服表面张力作功，引起表面层中分子引力势能增加，这种分子引力势能称表面自由能表F故：dsdAdF表与前式比较第18页/共40页三、负表面能 在两种不同种类液体的接触面上，也都各自有一个表面层。如前图6.19中气体换成另一种分子作用力较弱的液体B，原来液体称为A。设A中液体

9、表面层中分子合力仍垂直向下，则 A的表面能为正。这时液体B的表面层中分子合力也垂直向下， B的表面层分子要上升进入到B内部，需克服分子吸引力做功，即B的内部能量比B的表面层能量高。即是说， B液体的表面层具有负的表面能。第19页/共40页ntt10 是 t=0 时表面张力系数0 是比该液体的临界温度 低几度的摄氏温度，为一常数。tct 是一常数，其值在12之间。n 当 时， 。cttt0四、表面张力系数与温度的关系 液体表面张力系数与表面积无关，尽是温度的函数，对于与其蒸气相平衡的纯液体，有第20页/共40页如图，取半径为R的球形液滴，在液滴中取出平面中心角为 的球面圆锥。该球面S边界上受其它

10、部分张力作用。2 很多液体表面都是曲面形状，常见的液滴，毛细管中水银表面称凸液面，水中气泡、毛细管中水面呈凹液面。表面张力的存在，致使液面内外存在的压强差成为曲面附加压强。 一、球形液面的附加压强df RSOrdf1df2dl第21页/共40页df RSOrdf1df2dl设 dl 周界上张力 为 df水平分量 df2 相互抵消sinsin1dldfdf合力，rdlfdf2sinsin1因RrsinRrf22指向球心第22页/共40页则这一部分曲面的表面张力所产生的附加压强为：Rrfp22 该式对任何一个球面，或任一半径为R的凸液面都成立。 若是凹液面，则液体内部压强小于外部压强，附加压强是负

11、的。Rp2第23页/共40页总要比球外大 。 总之，球形液面内外处于力学平衡时，球内压强R2例: 证明一个球形液膜（如肥皂膜），只要内外球面半径相差很小，则膜内压强总比膜外压强高.Rpp4外内证明：RppAB2RppCB2C BA第24页/共40页 如图，小肥皂泡缩小，大肥皂泡增大。说明小肥皂泡半径小内压强大。RppAC4实验证明这一结论：C1C2C3第25页/共40页二、任意弯曲液面内、外压强差 如图6.21(b)，取任一微小曲面，相互垂直的正截面 P1和 P2 与曲面的截线 A1B1 和 A2B2 的曲率半径分别为 R1和 R2 。 可以证明: 该曲面有一向下的附加压强2111RRp拉普拉

12、斯公式ONA1A2B1B2R1R2C1C2P1P2第26页/共40页（1）球形液面， R1=R2 ,Rp2（2）柱形液面， R1=R2 ,Rp （3）附加压强指向主曲率中心，为方便区分，把液体表面呈凸面的曲率半径定为正，凹面的曲率半径定为负。讨论：第27页/共40页三、弹性曲面的附加压强 拉普拉斯公式不仅适用于液体表面，也可适用于弹性曲面（如橡皮曲面膜、气球膜、血管等）所产生的附加压强。如半径为R的弹性管腔或管状弹性膜，设单位长度的膜张力为T，则附加压强RTp 弹性管状膜的拉普拉斯公式医学上用于血管跨膜压的分析。第28页/共40页一、湿润与不湿润1、湿润现象与不湿润现象 干净的玻璃上滴一滴水，

13、谁会沿玻璃面向外扩展，附着在玻璃上，形成薄层，我们说水湿润玻璃。 若在玻璃上滴一滴水银，水银总是呈球形，能在玻璃上滚动而不附着在上面，我们说水银不湿润玻璃。 湿润不湿润现象就是液体和固体接触处的的表面现象。取决于液体和固体的性质。第29页/共40页2、定性解释 附着层：在液体与固体接触的液体表面上，也存在一表面层，习惯上称附着层。 若固、液分子间作用半径为 L , 液体分子间作用半径为 R0 ，附着层厚度取其大者。 如图,附着层某一分子A，作用球内液体分子对A分子吸引力的合力不为零，称这一合力为内聚力，方向垂直接触面指向液体内部。平均内聚力f内。第30页/共40页固体附 着 层液体固体附 着

14、层液体AA 把固体分子对A的吸引力的合力称附着力。方向垂直接触面指向液体外部。f附表示平均附着力。第31页/共40页 若f附 f内，则附着层内分子的表面能是负的。 已知，在外界条件一定的情况下，系统的总能量最小的状态才是最稳定的。因此，若f附 f内，总能量最小得表面形状如图（a）所示的弯月面向上的图形，这是湿润现象。若f附 f内，最稳定状态如图（b）所示的弯月面向下的表面状态，此为不湿润状态。第32页/共40页3、接触角 为了判别湿润与不湿润的程度，引入物理量接触角定义：在固、液、气三者共同相互接触点处分别作液体表面的切线和固体表面的切线，这两切线通过液体内部所成的角度 。第33页/共40页(

15、a)(b)(c)(d)0018090为不湿润情形；显然， 0900为湿润情形；00 称完全湿润；0180 称完全不湿润；第34页/共40页应用事例：（1）自来水笔写字是利用笔尖与墨水间的湿润现象。（2）焊接金属时，先用焊药将金属表面的氧化层洗掉，焊锡才能很好的湿润金属。（3）矿物浮选法，就应用了矿粒与液体不湿润，可被气泡带到液体表面上，而砂石能湿润液体，因而沉于槽底，使砂石与矿粒分离。第35页/共40页二、毛细现象内径细小的管子称为毛细管。 将毛细玻璃管插入可湿润的水中，管内水平会上升，管越细，水面升得越高；若插入到不湿润的水银中，管内水银面会下降，内径越小，水银面降的越低，这类现象称毛细现象。 毛细现象是由毛细管中弯曲液面的附近压强引起的