水文地质学课件ppt版 060浸润与表面张力基本概念

实验结果：毛细现象把几根内径不同的细玻璃管插入水中,可以看到,管内的水面比容器里的水面高，管子的内径越小,里面的水面越高.把这些细玻璃管插入水银中,发生的现象正好相反,管子里的水银面比容器里的水银面低，管子的内径越小,里面的水银面越低.

浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象,叫做毛细现象.能够产生明显毛细现象的管叫做毛细管现象

CompanyLogo浸润液体与不浸润液体

在洁净的玻璃上放一滴水，它会附着在玻璃板上形成薄层.把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来，玻璃的表面会沾上一层水.这种液体附着在固体表面上的现象叫做浸润.对玻璃来说，水是浸润液体.在洁净的玻璃板上放一滴水银，它能够滚来滚去而不附着在玻璃板上.把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来，玻璃上也不附着水银.这种液体不附着在固体表面上的现象叫做不浸润.对玻璃来说，水银是不浸润液体。同一种液体，对一种固体来说是浸润的，对另一种固体来说可能是不浸润的.水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡.水银不能浸润玻璃，但能浸润锌.

CompanyLogo液体表面类似张紧的橡皮膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势.因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力。液体为什么能在毛细管内上升或下降呢?CompanyLogo把浸润液体装在容器里，例如把水装在玻璃烧杯里，由于水浸润玻璃，器壁附近的液面向上弯曲(图5-1a)；浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体停止上升，达到平衡.把不浸润液体装在容器里,例如把水银装在玻璃管里，由于水银不浸润玻璃，器壁附近的液面向下弯曲(图5-1b).液体为什么能在毛细管内上升或下降呢?CompanyLogo表面张力表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力(surfacetension)是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。CompanyLogo表面张力表面张力：液体表面质点互相吸引的力，它产生于液体与气体，液体与固体接触的界面上。在表面张力作用下，液体表面好像蒙上了一层均匀张紧的薄膜，这一薄膜力图使液体缩小成最小的表面形状（虽然有时候不可能，这取决与液体与固体分子的相互作用和液体的重力），液珠之所以成球形，就是因为表面张力的缘故。CompanyLogo表面张力产生机理设想在液面上划一根长度为L的线段，此线段两边的液面，以一定的力f相互吸引，力的作用方向平行于液面而与此线段垂直，大小与线段长度L成正比，即f=aL；a称为表面张力系数，单位为dyn/cm（1dyn=10-5N）表面张力产生的机理：分子力相互作用不平衡的结果。CompanyLogo附加表面压强附加表面压强：由于表面张力的存在，会产生附加表面压强pc,pc指向液体表面曲率中心方向（即弯液面的凹向）。设想切取一个半径为R的半圆球页面。显然，在此液面的圆周状边上都存在着指向液层内部的表面张力；其合力为α·2πR,垂直于面积为πR2的投影圆面。由此，表面张力所引起的附加表面压强Pc为：此时，弯液面下的液体实际承受到的表面压强P=Po+Pc，Po为大气压强

CompanyLogo拉普拉斯公式任何形状的弯液面所产生的附加表面压强Pc都可用拉普拉斯公式表示：R1、R2为液体表面两个主要曲率半径。当毛细管插入水中后，管内的形成凹面，弯液面近似半球形，此时R1=R2=r,故得函义：CompanyLogo不同情况的毛细现象（水、汞）弯曲液面附加负的Pc凸起弯液面附加正的PcCompanyLogo5.2毛细负压毛细负压：液体弯液面的产生，是液面附加压强pc作用的结果。对于凹形弯液面来说，pc是一个负的压强（从凹向穿过液面进入内部，压强数值上要减少pc的绝对值），指向页面凹向，大小为（茹林公式）：上式中，取α=74×10-3N/m，γ=9.8×103N/m3，d采用mm单位，hc单位为m。 CompanyLogo负压测量仪——张力计张力计：是一端带有陶土多孔杯的充水弯管，多孔杯充水后透水而不透气。将此多孔杯插入土中，经过一定时间，张力计中的水达到水力平衡，在弯管开口部分显示一个稳定的水位。由此水位到放置多孔杯处的垂直距离就是毛细压头hc，从下图可以看出它是一个负的压力水头，因此习惯称为毛细负压。CompanyLogo5.3毛细上升高度与悬挂毛细水饱水带中任一点的水头值H可表示为：H=Z+hp而包气带中任一点的水头值H则为：H=Z-hc两式中：Z—有指定基准面算起的位置高度（位置水头）；Hp—测压高度（压力水头）；Hc—毛细负压（由毛细力引起的负的压力水头）CompanyLogo若取潜水面为基准，则潜水面处任一点饱水带的水头值为：

H=Z+hp=0(Z=0,hp=0)若包气带支持毛细水的弯液面位于潜水面处（B点），则该点上支持毛细水的水头值为：H=Z-hc=0-hc=-hc即比周围潜水面水头低hc,在此水头驱动下，支持毛细水将上升。当支持毛细水弯液面上升到hc处时，弯液面处（C点）的水头为：H=Z-hc=hc-hc=0此时，支持毛细水带的水头与潜水面上重力水水头相等，弯液面不再上升。最大毛细上升高度为hc.CompanyLogo根据茹林公式，最大毛细上升高度与毛细管直径成反比。因此，颗粒细小的土，最大毛细上升高度也大（表5-1）CompanyLogo悬挂毛细水上层颗粒细而下层颗粒粗的层状土中，细粒层中可形成悬挂毛细水。悬挂毛