_液体表面现象ppt课件

1、3.1 液体的外表张力液体的外表张力一、液体的微观构造一、液体的微观构造 液体分子间作用力显著。宏观上表现为不易紧缩性。宏观上表现为不易紧缩性。液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内挪动。液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内挪动。 液体分子在每一个平衡位置上振动的时间。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：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。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，称为液体的外表层。那层液体，称为液体的外表层。 当外力

2、作用时间大于定居时间当外力作用时间大于定居时间表现为液体的流动性表现为液体的流动性 当外力作用时间小于定居时间当外力作用时间小于定居时间表现为固体所特有的弹性形表现为固体所特有的弹性形变、脆性断裂等力学景象变、脆性断裂等力学景象 二、液体的外表张力景象及微观本质二、液体的外表张力景象及微观本质 液体外表像张紧的弹性膜一样，具有收缩的趋势。液体外表像张紧的弹性膜一样，具有收缩的趋势。 1 1毛笔尖入水散开，出水毛聚合；毛笔尖入水散开，出水毛聚合；2 2蚊子可以站在水面上；蚊子可以站在水面上；3 3钢针可以放在水面上；钢针可以放在水面上；4 4荷花上的水珠呈球形；荷花上的水珠呈球形；5 5肥皂膜的

3、收缩；肥皂膜的收缩；阐明：阐明：力的作用是均力的作用是均匀分布的，力的方向与匀分布的，力的方向与液面相切；液面相切；液面收缩至最小。液面收缩至最小。三、外表张力系数三、外表张力系数1从力的角度定义从力的角度定义LfAB(1)(2)ffAB(2)f(1)f 2从做功的角度定义从做功的角度定义LF2f fFF 做功为：做功为：xFWxL 2SS 为这一过程中液体外表积的增量，为这一过程中液体外表积的增量，所以：所以：SW 表示添加单位外表积时，外力所需做的功表示添加单位外表积时，外力所需做的功 称为外表张力系数，表示单位长度直线称为外表张力系数，表示单位长度直线两旁液面的相互作用拉力。两旁液面的相

4、互作用拉力。 N m -11、外表张力系数的定义、外表张力系数的定义3从外表能的角度定义从外表能的角度定义SWE所以：所以：SE 表示增大液体单位外表积所添加的外表能。表示增大液体单位外表积所添加的外表能。2、外表张力系数的根本性质、外表张力系数的根本性质1 1不同液体的外表张力系数不同，密度小、容易蒸发的不同液体的外表张力系数不同，密度小、容易蒸发的液体外表张力系数小。液体外表张力系数小。2 2同一种液体的外表张力系数与温度有关，温度越高，同一种液体的外表张力系数与温度有关，温度越高，外表张力系数越小。外表张力系数越小。3 3液体外表张力系数与相邻物质的性质有关。液体外表张力系数与相邻物质的

5、性质有关。4 4外表张力系数与液体中的杂质有关。外表张力系数与液体中的杂质有关。3、外表张力系数的测定、外表张力系数的测定拉脱法丈量液体外表张力系数拉脱法丈量液体外表张力系数的实验仪器的实验仪器焦利秤。焦利秤。水膜的对金属框的作用力为水膜的对金属框的作用力为LfLmgfmgF22那么外表张力系数：那么外表张力系数：LmgF2拉拉 脱脱 法法液滴测定法液滴测定法nmgG 所受的外表张力为：所受的外表张力为：df那么那么有有nmgd 即即dnmg那么大水滴的面积为那么大水滴的面积为 nrS2424 RS 例例解解设小水滴数目为设小水滴数目为 n ，n 个小水滴的总面积为个小水滴的总面积为在交融过程

6、中，小水滴的总体积与大水滴的体积一样，那在交融过程中，小水滴的总体积与大水滴的体积一样，那么么 333434Rnr33rRn 外表张力系数外表张力系数 SE求求该过程是吸能还是放能？该过程是吸能还是放能？ 试求所吸收或者释放出的能量。试求所吸收或者释放出的能量。溶合过程中释放的能量溶合过程中释放的能量 SE2) 1(4RrR)44(22Rnr半径为半径为r =210-3mm的许多小水滴交融成一半径为的许多小水滴交融成一半径为R=2mm的大水滴。的大水滴。(假设水滴呈球状，水的外表张力系数假设水滴呈球状，水的外表张力系数 =7310-3Nm-1在此过程中坚持不变在此过程中坚持不变) 与水接触的油

7、的外表张力系数与水接触的油的外表张力系数 a=1.810-2Nm-1 ，为了使，为了使 1.010-3 kg 的油滴在水内分布成半径的油滴在水内分布成半径 r = 10-6m 小油滴，小油滴，分布过程可以以为是等温的，油的密度为分布过程可以以为是等温的，油的密度为=900kgm-3。 设一个半径为设一个半径为R R 的大油滴等温地分布成的大油滴等温地分布成N N 个小油滴，因此个小油滴，因此所需作的功为所需作的功为SW)(422RNrS例例解解油的质量油的质量 m 不变，那不变，那么么334Rm 343rmN3143mR334rNm求求需求作多少功需求作多少功J10062 .W可得：可得：AB

8、2其受力情况也是对称的，所以沿各个其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的能够性相等。方向运动的能够性相等。液体外表层分子比液体内部分子的相互作用势能大：液体外表层分子比液体内部分子的相互作用势能大：当液体内部分子挪动到外表层中时，就要抑制上述指当液体内部分子挪动到外表层中时，就要抑制上述指向液体向液体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能。用的势能。 由势能最小原那么可知，在没有外力影响下，液体应处于外由势能最小原那么可知，在没有外力影响下，液体应处于外表积最小的形状。表积最小的形状。从力的角度看，就是有外表张力存在。从力的角度

9、看，就是有外表张力存在。2所受合外力指向液体内部，因此有向液体内所受合外力指向液体内部，因此有向液体内部运动的趋势。部运动的趋势。AfL蚊子靠纳米构造练就水上漂蚊子靠纳米构造练就水上漂A ROBOT WALKING ON WATER3.2 3.2 弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强 对于弯曲液面来说，由于液体外表张力的存在，在对于弯曲液面来说，由于液体外表张力的存在，在接近液面的两侧就构成一压强差，称为附加压强。接近液面的两侧就构成一压强差，称为附加压强。外内PPPs其中其中 为液面内侧的压强，为液面内侧的压强， 为液面外侧的压强。为液面外侧的压强。内P外P一、弯曲液面的附加压强一、弯曲液面

10、的附加压强01PP 001PPPPPs外外内内ffP0P1s程度液面程度液面:= P0SfPP合02002PPPPPs外外内内fsP0PsP2凹形液面：凹形液面：PsP303PSfP合003PPPPPs外外内内外表张力的合力方向不同，决议了附加压强的外表张力的合力方向不同，决议了附加压强的 PS 正负。正负。凸形液面：凸形液面：fffP0s=P0+Ps=P0Ps二、球形液面的附加压强二、球形液面的附加压强df/dfdfrABCR附加压强与外表张力的定量关系附加压强与外表张力的定量关系lfdd作用在作用在dl 液块上的外表张力液块上的外表张力sindsinddlffcosdcosddlff/si

11、nddlfffsin2dsinrlRrsinRrf22RrfPS22得得 球形弯曲液面的附加压强与外表张力系数成正比，与液面球形弯曲液面的附加压强与外表张力系数成正比，与液面的曲率半径成反比。的曲率半径成反比。 同理可以证明同理可以证明, 对于凹形液面对于凹形液面RPs2dl液面外大气压为液面外大气压为P0凸球形液面内液体压强为凸球形液面内液体压强为凹球形液面内液体压强为凹球形液面内液体压强为RPP20RPP20R球形液泡有两个半径近似相等的球形液膜球形液泡有两个半径近似相等的球形液膜CAB液膜外外表为凸液面，有液膜外外表为凸液面，有RPPAB2液膜内外表为凹液面，有液膜内外表为凹液面，有RP

12、PCB2所以内外压强差为所以内外压强差为RPPPAC4球形液泡内气体的压强为球形液泡内气体的压强为RPPPPS400球形液泡内外气体的压强差球形液泡内外气体的压强差解解例例求求 如下图的安装中，连通管活塞封锁，左右两端吹成一大一如下图的安装中，连通管活塞封锁，左右两端吹成一大一小两个肥皂气泡。假设肥皂薄膜厚度为定值小两个肥皂气泡。假设肥皂薄膜厚度为定值假设翻开连通管，气领会怎样运动？假设翻开连通管，气领会怎样运动？AARPP 40 BBRPP 40 BARR BAPP 由于 在水下深度为在水下深度为 30cm 处有不断径处有不断径 d = 0.02mm 的空气泡。设水的空气泡。设水面压强为大气

13、压面压强为大气压 P0= 1.013105 Pa, 水水= 1.0103 kgm-3, 水水= 7210-3 Nm-1。气泡内空气的压强气泡内空气的压强 P泡泡 。解解例例求求dhP0sPPPP0泡RghP2033351001. 0107223 . 08 . 9100 . 110013. 1= 1.186105 Pa3.3 毛细景象毛细景象一、润湿和不润湿一、润湿和不润湿附着层：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。液体层。由附着层内的分子力引起由附着层内的分子力引起润湿润湿不润湿不润湿内聚力：内聚力：液体内部分子对附着

14、层内液体分子的吸引力液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：附着力：固体分子对附着层内液体分子的吸引力固体分子对附着层内液体分子的吸引力内聚力大于附着力内聚力大于附着力A不润湿不润湿内聚力小于附着力内聚力小于附着力A润湿润湿f f 接触角：接触角：在液、固体接触时，固体外表经过液体内部与液体外在液、固体接触时，固体外表经过液体内部与液体外表所夹的角表所夹的角，通常用，通常用q q 来表示。来表示。液体润湿固体；液体润湿固体；当当 时，时，2q当当 时，时，2q液体不润湿固体；液体不润湿固体；当当 时，时，0q液体完全润湿固体；液体完全润湿固体；当当 时，时，q液体完全不润湿固体；液体完全

15、不润湿固体；q q润湿润湿q q不润湿不润湿好雨知时节当春乃发生随风潜入夜润物细无声野径云俱黑江船火独明晓看红湿处花重锦官城 春雨贵如油春雨贵如油二、毛细景象二、毛细景象 将细的管插入液体中，假设液体润湿管壁，液面成凹液面，将细的管插入液体中，假设液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；假设液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体液体将在管内升高；假设液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种景象称为毛细景象。将在管内下降。这种景象称为毛细景象。hh可以产生毛细景象的细管称为毛细管。可以产生毛细景象的细管称为毛细管。1、毛细景象产生的缘由、毛细景象产生的缘由固固体体液体液体假设液体对

16、固体润湿，假设液体对固体润湿，那么接触角为锐角。那么接触角为锐角。 固固体体液体液体h假设液体对固体不润湿，假设液体对固体不润湿，那么接触角为钝角。那么接触角为钝角。 h 容器口容器口径非常小，径非常小，附加压强的附加压强的存在将使管存在将使管内液面升高，内液面升高，产生毛细景产生毛细景象。象。 容器口容器口径很小，附径很小，附加压强的存加压强的存在将使管内在将使管内液面降低，液面降低，产生毛细景产生毛细景象。象。设管内液面为一半径为设管内液面为一半径为 R 的凹球面的凹球面qcosRr 附加压强为：附加压强为：0PPPAsrPPAqcos20即即2、毛细管中液面上升或下降的高度、毛细管中液面

17、上升或下降的高度由几何关系可知：由几何关系可知：RR2rqcos2CBAr0P又ghPPAB且且0PPPCBgrhqcos2得：得：h假设液体不润湿管壁，那么假设液体不润湿管壁，那么grhqcos2可得：可得：q20 润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的外表张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。外表张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。管内液面下降。管内液面下降。在完全润湿或完全不润湿的情况下，在完全润湿或完全不润湿的情况下， = 0 = 0 或或 = = ，那么：那么： grh2气体拴塞景象气体拴塞景象 假设让液体流动起来，外表会有什么

18、变化呢？假设让液体流动起来，外表会有什么变化呢？grhqcos2只需当压强添加到一定程度液面才下降。只需当压强添加到一定程度液面才下降。 这是由弯曲液面的附加压强所致，当给活塞施加一较小压强时，只是这是由弯曲液面的附加压强所致，当给活塞施加一较小压强时，只是凹形液面的曲率半径变小了，附加压强增大，凹形液面的曲率半径变小了，附加压强增大， 液面下压强依然可以坚持不液面下压强依然可以坚持不变，即液面不下降。变，即液面不下降。 逐渐增大右端的压强，刚开场液滴并不挪动，只是右液面的曲率逐渐增大右端的压强，刚开场液滴并不挪动，只是右液面的曲率半径减小；只需当压强增量超越一定的限制半径减小；只需当压强增量

19、超越一定的限制 时，液滴才开场挪动。时，液滴才开场挪动。P弯曲液面的附加压强对毛细管中液体流动的影响弯曲液面的附加压强对毛细管中液体流动的影响 如图，如图，PPPP PP假设毛细管中有假设毛细管中有 n 个液滴，根据上述讨论，假设最左边弯液面处压强为个液滴，根据上述讨论，假设最左边弯液面处压强为 P ； 同理，要使第二个液滴挪动，第二个气泡中的压强必需必需大于同理，要使第二个液滴挪动，第二个气泡中的压强必需必需大于 P + 2P 。P +PP + 2P假设要使这假设要使这 n 个液滴挪动，那么最右端必需施以大于个液滴挪动，那么最右端必需施以大于P + nP 的压强。的压强。P + 3PP +

20、nP气体栓塞景象的危害举例气体栓塞景象的危害举例1 1静脉注射或肌肉注射时要将针管中得气体排除后再注射；静脉注射或肌肉注射时要将针管中得气体排除后再注射；2 2当环境气压忽然降低时，人体血管中溶解的气体由于溶解度下降而析当环境气压忽然降低时，人体血管中溶解的气体由于溶解度下降而析出构成气泡；出构成气泡；比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易呵斥血栓而致命。比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易呵斥血栓而致命。3 3在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，构成气泡堵塞毛细管，在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，构成气泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。使部分枝叶的水分或营养缺乏而

21、枯萎。土壤孔隙中的毛管水土壤孔隙中的毛管水毛细永动机能否制造出来？毛细永动机能否制造出来？植物水分的输运机制植物水分的输运机制土壤孔隙中的毛管水土壤孔隙中的毛管水 土壤基质借颗粒外表的吸附而吸持水分，被吸附的水土壤基质借颗粒外表的吸附而吸持水分，被吸附的水分称为吸附水，难以被植物吸收；分称为吸附水，难以被植物吸收； 由于孔隙的毛管作用而坚持的水分称为毛由于孔隙的毛管作用而坚持的水分称为毛管水，不易流失且易被植物吸收，在农业消费管水，不易流失且易被植物吸收，在农业消费中具有重要意义。中具有重要意义。grhqcos2 夜间土壤表层温度低，水的夜间土壤表层温度低，水的a较大；较大；而土壤较深层温度较

22、高，水的而土壤较深层温度较高，水的a较小，较小，水分会沿毛细管上移。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程度。所以拂晓时分，土壤表层水分含量高于正常程度。坚持土壤水分是农业增产的一个重要问题坚持土壤水分是农业增产的一个重要问题 对于普通植物，假设土壤含水量饱和，那么毛细管全部被液态水充溢，对于普通植物，假设土壤含水量饱和，那么毛细管全部被液态水充溢，通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。 为了坚持土壤中适当的含水量：为了坚持土壤中适当的含水量： (1) 添加腐殖质不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙构

23、造，添加毛管添加腐殖质不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙构造，添加毛管水的贮量；水的贮量；(2) 温室中通常以渗流灌溉并对土壤含水量进展适时监控；温室中通常以渗流灌溉并对土壤含水量进展适时监控； (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构成较好对于田间耕种，旱田播种后把地表压实可以使土壤颗粒之间构成较好的毛细管，利于水分上升至地表；而冬天那么应把土壤翻松，破坏土壤的毛的毛细管，利于水分上升至地表；而冬天那么应把土壤翻松，破坏土壤的毛细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉。细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉。毛细永动机能否制造出来？毛细永动机能否制造出来？由由 可知：可知：

24、grhqcos2 液体沿毛细管液体润湿管壁液体沿毛细管液体润湿管壁“自动上升，自动上升， 假设毛细管的实践高度假设毛细管的实践高度 h0 比液体上升的高度比液体上升的高度 h 小，小，液体能否自动从管子中流出来构成液体能否自动从管子中流出来构成“毛细永动机？毛细永动机？其高度似乎与毛细管的实践高度没有关系。其高度似乎与毛细管的实践高度没有关系。h实践上，毛细永动机是不能够存在的。实践上，毛细永动机是不能够存在的。P0AP0液体润湿管壁构成凹形液面，从而产生一定的附加压强，液体润湿管壁构成凹形液面，从而产生一定的附加压强， 即即 A 点的压强为：点的压强为：在大气压的作用下，液面会上升；在大气压

25、的作用下，液面会上升；002PRPPAgRh2假设毛细管显露水面的长度足够，液面会上升假设毛细管显露水面的长度足够，液面会上升 。hP0AhP0A 当曲率半径增大到当曲率半径增大到 时，时， A 点压强增点压强增大大 ，液面不再上升。，液面不再上升。02ghR00ghPPA 因此，即使毛细管的实践高度因此，即使毛细管的实践高度 h0 比液体上升比液体上升的高度的高度 h 小，也不会构成毛细永动机。小，也不会构成毛细永动机。植物水分的运输机制植物水分的运输机制如今对植物水分向上运输机制有三种观念：如今对植物水分向上运输机制有三种观念：1、毛细作用、毛细作用玉米茎的横切面构造玉米茎的横切面构造多年

26、生植物朱槿茎的横切面构造多年生植物朱槿茎的横切面构造grhqcos2m1028 . 910107325330.74m因此，植物水分上运输应该还有别的机制。因此，植物水分上运输应该还有别的机制。2、浸透作用、浸透作用 半透膜只允许小分子经过，而不允许糖类分子、蛋半透膜只允许小分子经过，而不允许糖类分子、蛋白质分子等大分子经过，这一特性将使左右两边水的白质分子等大分子经过，这一特性将使左右两边水的浓度相等。浓度相等。MNH2O由于浸透作用，由于浸透作用，U 形管左侧液面将升高，右侧液面将降低；形管左侧液面将升高，右侧液面将降低； 必需在左侧液面施加一个压强必需在左侧液面施加一个压强 P 才干使左右

27、液面平齐，这个压强称为才干使左右液面平齐，这个压强称为浸透压。浸透压。P实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是浸透压呵斥的。实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是浸透压呵斥的。 在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻时水分经过浸透作用进入根系，迫使树液上升，土壤解冻时水分经过浸透作用进入根系，迫使树液上升，直到浸透压等于树液液柱产生的压强为止。直到浸透压等于树液液柱产生的压强为止。浸透压可以使树液上升到浸透压可以使树液上升到 30m 以上的高度。以上的高度。冷杉冷杉 这时无论是毛细作用还是浸透作用都无法满足这

28、时无论是毛细作用还是浸透作用都无法满足水分向上运输的需求，或许还有其他的运输机制。水分向上运输的需求，或许还有其他的运输机制。3、负压强作用、负压强作用通常我们以为压强都是正的，什么是负压强呢？通常我们以为压强都是正的，什么是负压强呢？如下图的安装，活塞下的容器中充溢水。如下图的安装，活塞下的容器中充溢水。 实验证明，必需对活塞施加实验证明，必需对活塞施加 25 300105 Pa 的压强的压强才干将活塞与水柱分别。才干将活塞与水柱分别。 显然，这不仅仅有大气压的作用，最主要的作用是液体的内聚力，显然，这不仅仅有大气压的作用，最主要的作用是液体的内聚力，即分子间的作用力。液体向内拉周围物体的作

29、用，称为负压强作用。即分子间的作用力。液体向内拉周围物体的作用，称为负压强作用。 由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零，因此气由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零，因此气体不能产生负压强。体不能产生负压强。 在冬季，假设木质部导管中溶液冻结，冰中会产生许多气泡，在冬季，假设木质部导管中溶液冻结，冰中会产生许多气泡，解冻时这些气泡析出会使水柱断裂，从而使木质部导管堵塞而丧失解冻时这些气泡析出会使水柱断裂，从而使木质部导管堵塞而丧失功能。功能。3.4 3.4 蒸发与凝结蒸发与凝结液态液态气态气态汽化蒸发和沸腾汽化蒸发和沸腾液化或凝结液化或凝结 令令 n 表示单位时间跑出液体外表

30、的平均分子数，以表示单位时间跑出液体外表的平均分子数，以 n 表表示单位时问回到液体中的平均分子数。示单位时问回到液体中的平均分子数。一、汽化和凝结产生的条件：一、汽化和凝结产生的条件：当当 n n时，宏观上那么表现为蒸发；时，宏观上那么表现为蒸发；当当 n n时，宏观上表现为凝结；时，宏观上表现为凝结；当当 n = n时，那么液时，那么液-气到达动态平衡。气到达动态平衡。 二、饱和蒸汽压二、饱和蒸汽压饱和蒸汽压是饱和蒸汽产生的分压强。饱和蒸汽压是饱和蒸汽产生的分压强。 对于内聚力较小容易挥发的液体，外对于内聚力较小容易挥发的液体，外表层内的分子受液体内部作用力较小，饱和蒸汽压较大。表层内的分子受液体内部作用力较小，饱和蒸汽压较大。三、影响饱和蒸汽压的要素三、影响饱和蒸汽压的要素液体本身的性质液体本身的性质:温度温度: 温度越高，分子无规那么热运动越猛烈，外表层的分温度越高，分子无规那么热运动越猛烈，外表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。子越容易摆脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高。液面的弯曲情况液面的弯曲情况: 如下图如下图CPCP hABCPCP毛细管半径为毛细管半径为r ，接触角为，接触角为 . h