医用物理学07液体的表面现象

1、第六章第五节第六章第五节液体的表面现象液体的表面现象液体的表面现象（液体的表面现象（Liquid surface phenomenonLiquid surface phenomenon ）1、掌握掌握液体表面张力的概念液体表面张力的概念2、掌握掌握附加压强及毛细现象的规律。附加压强及毛细现象的规律。3、熟悉熟悉气体栓塞现象、表面活性物质和气体栓塞现象、表面活性物质和表面吸附的物理原理表面吸附的物理原理学习要求学习要求表面张力和表面能表面张力和表面能自然界很多现象说明：液面自然界很多现象说明：液面表面具有收缩的趋势。表面具有收缩的趋势。液面液面宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有张力。宏观上表

2、现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有张力。液体的表面张力及表面能液体的表面张力及表面能 液体表面层内具有一种收缩的力，我们把这种促使液液体表面层内具有一种收缩的力，我们把这种促使液体表面收缩的力，称为体表面收缩的力，称为表面张力（表面张力（surface tension）LF LFFL实验表明实验表明: : 表面张力的大小表面张力的大小正比于线段正比于线段MNMN的长度。的长度。表面张力系数表面张力系数：F FF FM MN N取液面分界面取液面分界面MNMN，表面张力表面张力F F的方向与分界线垂直，与液的方向与分界线垂直，与液体表面相切。体表面相切。/N m单位：单位：表面张力系数表：表面张力系

3、数表：影响表面张力系数的因素影响表面张力系数的因素与液体的性质有关与液体的性质有关：不同液体，：不同液体， 值不同；密度小、值不同；密度小、易挥发的液体易挥发的液体 值较小。值较小。如如: :酒精、乙醚的酒精、乙醚的 值很值很小，金属熔化后的小，金属熔化后的 值很大。值很大。与相邻物质化学性质有关与相邻物质化学性质有关：同一液体与不同物质交：同一液体与不同物质交界，界， 值不同。值不同。与温度有关与温度有关：温度升高，：温度升高， 值减小。某些液体沸腾时值减小。某些液体沸腾时表面张力系数为零。表面张力系数为零。与液体内所含杂质有关与液体内所含杂质有关：在液体内加入杂质，液体：在液体内加入杂质，

4、液体的表面张力系数将显著改变，有的使其的表面张力系数将显著改变，有的使其 值增加；值增加；有的使其有的使其 值减小。使值减小。使 值减小的物质称为值减小的物质称为表面活表面活性物质性物质。斥力斥力 引力引力斥力斥力 引力引力斥力斥力= = 引力引力r r0无分子力无分子力( (分子间平衡距离分子间平衡距离: : r r0 0=10=10-10-10 m) m)分子作用球半径分子作用球半径r= 10-9m。r表面张力产生的原因，可用分子力加以解释。表面张力产生的原因，可用分子力加以解释。空气空气液体液体m mm mm m表面层表面层m是液内分子；是液内分子； m是液体表面层分子。是液体表面层分子

5、。液体内分子液体内分子m的受力分析：的受力分析： 受到的分子作用力的合力为零：受到的分子作用力的合力为零： f fi i=0=0 表面层分子表面层分子m的受力分析：的受力分析：受到一个指向液体内部的分子引力作用；受到一个指向液体内部的分子引力作用；宏观上表面层表现为一个被拉紧的弹性薄膜。宏观上表面层表现为一个被拉紧的弹性薄膜。液体表面能液体表面能: : 表层中所有分子高出液体内部分子的那表层中所有分子高出液体内部分子的那部分势能的总和，称为液体的表面能。部分势能的总和，称为液体的表面能。从表面能角度解释液体表面张力：从表面能角度解释液体表面张力：表面层中每一个分子，比液体内部分子具有更多势能。

6、表面层中每一个分子，比液体内部分子具有更多势能。由于系统的势能有减小到最小的趋势，由于系统的势能有减小到最小的趋势，因此只要有可能，因此只要有可能，表面层的分子就有可能向液体内部移动，使表面积收缩表面层的分子就有可能向液体内部移动，使表面积收缩到最小。到最小。现象：小水滴融合成大水滴时，要释现象：小水滴融合成大水滴时，要释放出能量；放出能量；反之，大水滴分散成许多小水滴时，反之，大水滴分散成许多小水滴时，要吸收外界能量；如：静电喷雾要吸收外界能量；如：静电喷雾原因：表面层的分子具有更多的势能，当小水滴融合成大水滴时，表面积减小，更多的分子向液体内部迁移，因此融合后的表面能比融合前表面能小l液体

7、薄膜液体薄膜dcbafF=2lfxS表面张力系数的第表面张力系数的第2定义：定义：ab表面张力系数与表面能：表面张力系数与表面能：2/J m液体的表面张力及表面能液体的表面张力及表面能2Afxlx 做功做功2Sl x增加的面积增加的面积22pEl xSl x讨论：比表面能的含义讨论：比表面能的含义PEA pES平面液面：平面液面：空气空气水水P0P P液内液内P液内液内=P0弯曲球面液面：弯曲球面液面：P0P P液内液内水水由于表面张力由于表面张力f f产生附加的压强产生附加的压强P P附附, ,所以所以P P液内液内 P P0 0P附附ffP0P P液内液内水水P附附ff凹面凹面 凸面凸面

8、弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强2PR表面张力的垂直分量表面张力的垂直分量: :RTr=RsinOsinTA表面张力产生的附加压强表面张力产生的附加压强: :sin2sinsinTR2sin)2(R在弯曲液面上取如图所示液块在弯曲液面上取如图所示液块T为单位长度液体表面的张力，即为单位长度液体表面的张力，即表示液块内外压强差，小液块所受的向上压力为表示液块内外压强差，小液块所受的向上压力为：sinPR 2（）P222(2)sin=sinRPR 小液块受力平衡：小液块受力平衡：2PPR凹凸凹侧凹侧 凸侧凸侧 弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强PP凹凸2PR凸侧凸侧 凹侧凹侧 1222CAP

9、PRR12RPPAB对外表面：对外表面：R1R2(R1=R2=R)对内表面：对内表面：22CBPPR肥皂泡肥皂泡2. 2. 球形液膜的附加压强：球形液膜的附加压强：弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强4CAPPR 补充：补充： 向带有活塞的三通玻璃管向带有活塞的三通玻璃管吹气使两端分别挂上大小不一的肥吹气使两端分别挂上大小不一的肥皂泡，旋转活塞使两气泡连通，观皂泡，旋转活塞使两气泡连通，观察气泡的变化察气泡的变化?l 发现小泡将越来越小，大泡发现小泡将越来越小，大泡越胀越大。这就是小泡的附加越胀越大。这就是小泡的附加压强大于大泡的附加压强的缘压强大于大泡的附加压强的缘故。故。对大泡对大泡：对小

10、泡：对小泡：因为因为 R R1 1 R R2 2，所以所以 P P1 1 f f内内时，时，附着层扩展，附着层扩展，液体液体润湿润湿固体；固体；例：水润湿玻璃例：水润湿玻璃f f附附当当f f附附 90900 0 90900 0水水玻璃玻璃玻璃玻璃水银水银水银水银水水 液体浸湿毛细管壁时，管内液面上升液体浸湿毛细管壁时，管内液面上升A AB Bh h平衡时，平衡时，P PA A = = P PB BR Rr rgrgRhcos22( (当当 = =0 00 0时时, ,为完全浸湿。为完全浸湿。) )02BPPghR0APPcosRr ( (对于下降同样适用对于下降同样适用) )毛细现象的应用：

11、毛细现象的应用：临床应用：临床应用：1 1、外科用脱脂棉来擦拭创面的污液。、外科用脱脂棉来擦拭创面的污液。 2 2、普通手术缝合线要经过蜡处理。、普通手术缝合线要经过蜡处理。药学应用：药学应用：1 1、药物除湿及新鲜药材的除水大多需通过药材内、药物除湿及新鲜药材的除水大多需通过药材内 毛细管才能气化。毛细管才能气化。 2 2、口服片剂后，片剂被浸润后通过毛细管作用使、口服片剂后，片剂被浸润后通过毛细管作用使 水分进入片剂，利于人体对药物的吸收。水分进入片剂，利于人体对药物的吸收。日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾纸吸墨水、煤油灯、日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾纸吸墨水、煤油灯、 植物吸收和运输

12、水分等。植物吸收和运输水分等。 * *液体在细管中流动时，如果管中有气泡，液体液体在细管中流动时，如果管中有气泡，液体的流动将受到阻碍，气泡多时可发生阻塞，这种现的流动将受到阻碍，气泡多时可发生阻塞，这种现象叫象叫气体栓塞气体栓塞。静止液体静止液体静止液体静止液体气泡气泡P P附左附左P P附右附右= =液体液体气泡气泡* *气泡产生阻力：气泡产生阻力：P PP P阻力压强阻力压强 = =P P附右附右- -P P附左附左* *当当 P P 时，液体无法流动；时，液体无法流动；* *当当 P P 时，液体才可流动；时，液体才可流动；* * 细管中若有细管中若有n n个气泡，则要求外加压强差个气

13、泡，则要求外加压强差 P P n n ，液体才能流动。液体才能流动。（ P:P:外加压强差）外加压强差）+ + P P气体栓塞在医学中的应用：气体栓塞在医学中的应用：* *注射前，要排尽针筒中气体；注射前，要排尽针筒中气体；* *预防潜水病；预防潜水病；潜水病潜水病: :潜水者在海中深达潜水者在海中深达1010米时，总共受到米时，总共受到2 2个绝对大气压，个绝对大气压，深度每增加深度每增加1010米，就增加一个大气压。米，就增加一个大气压。 表面活性物质与表面吸附表面活性物质与表面吸附表面活性物质表面活性物质：在液体（溶剂）中加入一定浓度的某种溶在液体（溶剂）中加入一定浓度的某种溶质，使液体

14、表面张力系数减小，这种溶质称为表面活性物质，使液体表面张力系数减小，这种溶质称为表面活性物质。（举例：肥皂；洗衣粉；肺泡分泌物等）质。（举例：肥皂；洗衣粉；肺泡分泌物等）原因：原因：表面吸附表面吸附（即表面活性物质在溶液的表面层聚（即表面活性物质在溶液的表面层聚集并伸展成薄膜）。集并伸展成薄膜）。表面层表面层肥皂分子肥皂分子水分子水分子f f1 1f f2 2f f1 1 f f2 2 ，使液体表面，使液体表面层分子势能减少，因层分子势能减少，因而表面张力系数减小。而表面张力系数减小。肺组织中的表面活性物质：肺组织中的表面活性物质：* *肺泡内壁分泌某种磷脂是表面活性物质；肺泡内壁分泌某种磷脂

15、是表面活性物质；改变粘液的改变粘液的，从而维持正常呼吸。，从而维持正常呼吸。* *肺组织结构肺组织结构R R 活性物质密度活性物质密度 粘液的粘液的 大肺泡大肺泡：R R 活性物质密度活性物质密度 粘液的粘液的 小肺泡：小肺泡：表面活性物质与表面吸附表面活性物质与表面吸附小肺泡萎缩？小肺泡萎缩？大肺泡膨胀？大肺泡膨胀？2PR基本保持不变基本保持不变所以所以毛细现象的应用毛细现象的应用u肥皂就是最常见的表面活性物质肥皂就是最常见的表面活性物质。肥皂水的表面张力系数约为4010-3N/m，是纯水的一半。一般说来，醇、酸、醛、酮等有机物质大都是表面活性物质。u表面活性物质在水溶液中，能使不溶或微溶于水的有机物质的溶解度显著增加，这种现象称为增溶作用增溶作用(或或加溶作用加溶作用)。u增溶作用举例：增溶作用举例：为了使喷洒在作物叶片上的农药能适当地展布开来，往往也要在稀释过的农药中加入表面活性物质：皂素、皂角粉、肥皂水皂素、皂角粉、