表面张力在材料—水质科学中的应用PPT课件

1、表面现象水滴为什么是圆形而不是方形第1页/共30页表面现象它们为什么可以漂在水面上第2页/共30页水水ps水在毛细管中为什么会上升第3页/共30页表面现象的微观成因第4页/共30页表面现象的微观成因表面相分子受力不均表面相分子受力不均匀，其分子有被拉入匀，其分子有被拉入液相的趋势。液相的趋势。这种受力不均匀性是这种受力不均匀性是表面现象产生的微观表面现象产生的微观成因。成因。液体的液体的表面积因而有表面积因而有自发收缩的自发收缩的趋势。趋势。这解释了为什么液滴会以这解释了为什么液滴会以球形的形态存在球形的形态存在液相液相气相气相 第5页/共30页液- -固界面现象第6页/共30页接触角(con

2、tact angle)接触角的示意图：接触角的示意图：润湿润湿亲液性固体亲液性固体lsgANM s-l s-g l-g 第7页/共30页不润湿不润湿憎液性固体lsgANM s-l s-g l-g 接触角(contact angle)第8页/共30页接触角(contact angle) 在气、液、固三相交界点，气在气、液、固三相交界点，气- -液与气液与气- -固界面张力之间的夹角称为接触角，通常固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用用 表示。表示。 若接触角大于若接触角大于90，说明液体不能润，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；湿固体，如汞在玻璃表面； 若接触角小于若接触角小于90，液体能

3、润湿固体，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。如水在洁净的玻璃表面。第9页/共30页接触角(contact angle)coss gs ll gdldldlcoss gs ll gYoung方程方程:lsgANM s-l s-g l-g 第10页/共30页接触角(contact angle)coss gs ll gYoungYoung方程方程（1 1）完全润湿）完全润湿 时，时，YoungYoung方程不成立，方程不成立， 但液体仍然可以在固体表面完全铺展开来；但液体仍然可以在固体表面完全铺展开来； cos1,0s gs ll g时s gs ll g（2 2）润湿）润湿 固体能为液体所润湿；

4、固体能为液体所润湿； 0 1cos0,90s gs ll g时，第11页/共30页接触角(contact angle)（3 3）不润湿）不润湿 固体不能为液体所润湿；固体不能为液体所润湿； cos0,90180s gs l时，coss gs ll gYoungYoung方程方程注：注：1. 1. 接触角为平衡接触角；接触角为平衡接触角； 2. 2. s gs v第12页/共30页接触角的测定1. 1. 斜板法斜板法2. Neumann法第13页/共30页铺展过程s第14页/共30页润湿作用应用1.1.增加润湿作用增加润湿作用2.2.降低润湿作用降低润湿作用3.3.矿物浮选矿物浮选第15页/共3

5、0页1 农药喷洒农药喷洒.由于大多农药水溶性差由于大多农药水溶性差,对植物的对植物的茎叶茎叶润湿不好润湿不好,一是滚落浪费一是滚落浪费,二是不能展开而杀虫效果二是不能展开而杀虫效果差差,此时就要用到表面活性剂此时就要用到表面活性剂surface active agent-SAA,加入表面活性剂加入表面活性剂SAA,提高润湿程度提高润湿程度,即可大大提高药效即可大大提高药效.2另一类也是利用表面活性剂另一类也是利用表面活性剂,但作用正相反但作用正相反,使某使某些物质本是润湿的变成不润湿些物质本是润湿的变成不润湿去润湿作用去润湿作用.原原理是用表面活性物质的极性部分选择性吸附理是用表面活性物质的极

6、性部分选择性吸附,非极非极性部分向外呈憎水性性部分向外呈憎水性.典型的就是矿石的浮选典型的就是矿石的浮选,富集富集矿物矿物. 一次性抽血器中盛血的玻璃管一次性抽血器中盛血的玻璃管(定量的定量的),内内壁要疏水化壁要疏水化,使用的是硅偶联剂使用的是硅偶联剂,使血液在管内不残使血液在管内不残留留. 第16页/共30页浮游选矿 首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂。 搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。 不含矿石的泥砂、岩石留在池底，定时清除。第17页/共30页 弯曲表面下的附加压力1.在平面上剖面图液面正面图 研究以A

7、B为直径的一个环作为边界，由于环上每点的两边都存在表面张力，大小相等，方向相反，所以没有附加压力。 设向下的大气压力为Po，向上的反作用力也为Po ，附加压力Ps等于零。Ps = Po - Po =0第18页/共30页弯曲表面下的附加压力（2）在凸面上：剖面图附加压力示意图 研究以AB为弦长的一个球面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向下的合力。 所有的点产生的总压力为Ps ，称为附加压力。凸面上受的总压力为： Po+ PsPo为大气压力， Ps为附加压力。 第19页/共30页弯曲表面下的附加压力（3）在凹面上：剖面图附加压力示意

8、图 研究以AB为弦长的一个球形凹面上的环作为边界。由于环上每点两边的表面张力都与凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生一个向上的合力。 所有的点产生的总压力为Ps ，称为附加压力。凹面上向下的总压力为：Po-Ps ，所以凹面上所受的压力比平面上小。第20页/共30页杨- -拉普拉斯公式 1805年Young-Laplace导出了附加压力与曲率半径之间的关系式：特殊式（对球面）：s2RP 根据数学上规定，凸面的曲率半径取正值，凹面的曲率半径取负值。所以，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的球心。一般式：)11(21sRRP第21页/共30页Yo

9、ung-Laplace 一般式的推导1. 在任意弯曲液面上取小矩形曲面ABCD(红色面)，其面积为xy。曲面边缘AB和BC弧的曲率半径分别为和 。1R2R2. 作曲面的两个相互垂直的正截面，交线Oz为O点的法线。3. 令曲面沿法线方向移动dz ，使曲面扩大到ABCD(蓝色面)，则x与y各增加dx和dy 。第22页/共30页Young-Laplace 一般式的推导第23页/共30页Young-Laplace 一般式的推导5. 增加dA面积所作的功与克服附加压力Ps增加dV所作的功应该相等，即：(A) d)dd(ddsszxyPxyyxVPA4. 移动后曲面面积增加dA和dV为：zxyVxyyxxyyyxxAdddd )d)(d( d第24页/共30页Young-Laplace 一般式的推导6. 根据相似三角形原理可得：222111dd /)d/()d(dd /)d/()d(z/RxyRyzRyyz/RxxRxzRxx化简得化简得7. 将dx,dy代入(A)式,得：)11(21sRRP8. 如果是球面，:,21则RR 2sRP第25页/共30页附加压力与毛细管中液面高度的关系第26页/共30页毛细现象平面下液体的压强大于凹面下的压强液体从高压向低压流动，毛细管内液体上升毛细管内液体上升直至，同一水平面的液体压强相等第27页/共30页弯曲液面的力平衡条件