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文档简介
1、第3章:液体的表面性质,(Surface property of liquid),Introduction,为什么,毛笔出水自聚合,植物叶面水成滴,蚊子站立水面上,钢针水上不沉落,气球越吹越省力,肥皂溶水起泡膜,秋冬多有雾弥漫,清晨常见地潮湿,上述现象皆有因,本章内容道根底,毛细管中水升位,纸张见水便润湿,3.1 液体的表面张力,1. 表面张力现象(Phenomenon of surface tension),液体的表面犹如张紧的弹性薄膜,有使其面积收缩至最小的趋势。,实例:,雨滴成球形,毛笔出水聚合,2. 表面张力公式,如图示,若要维持滑边不动,需加一外力平衡表面张力。,实验表明,每层液膜施
2、于滑边的表面张力为:,表面,由两液面或液面与空气形成的交界面,(1) 物理意义,表面张力的方向,垂直于张力线并与液体表面相切,(1),(2),f,f,表面张力系数,表面张力系数是反映表面张力强度的一个物理量,从力的角度,表示单位长度两侧液面相互作用的拉力。,从功的角度,增加单位表面积时,外力克服表面张力做的功。,从能角度,增加单位表面积时,液膜表面所增加的表面势能。,(2) 影响表面张力系数的因素,液体的性质,液体的温度,液体中的杂质,两种液体形成的交界面,水:,20的水苯界面,20的水乙醚界面,表面活性物质(肥皂),雨 后 精 灵,水和油界面的表面张力系数 a=1.810-2Nm-1 ,为了
3、使 1.010-3 kg 的油滴在水内散布成半径 r = 10-6m 小油滴,需要做多少功?(散布过程可以认为是等温的,油的密度为=900kgm-3)。,大油滴散布成小油滴是,表面积增加,外力需做功。,例:,解:,因油的质量 不变,有:,解得:,例:,解:,因融合前后体积不变,有:,半径r =210-3mm的许多小水滴融合成一半径为R=2mm的大水滴时。(假设水滴呈球状,水的表面张力系数 =7310-3Nm-1在此过程中保持不变)求所释放出的能量。(同学作,5分钟),设小水滴数目为 n ,则小水滴、大水滴的总面积为:,3. 表面张力的微观机理,A,B,C,B,A,f,f,C,从分子力的角度,表
4、面层分子受的合力趋向于绷紧表面,而表面层间的分子相互吸引力又维持表面薄膜不破裂。,表面张力是由于表面层分子受力不对称性引起的。,从能量的角度,表面层分子趋向于内部低能态,使液面收缩以减少表面能引起的。,表面层,表面实际意义是指一厚度为(分子的有效作用半径),而不是数学意义上的几何面,4. 表面张力系数的的测定,拉脱法,(1)焦利秤,由精密弹簧、浮标(横刻线)、玻璃管(横刻线) 可移平台 、游标尺及调移旋钮组成。,金属丝框受力分析:,丝框横边ab与液面相切时有:,(2)测量原理,拉起的水膜处于即将破裂时,有:,液滴法,颈部发生断裂时,有:,颈部断裂面的直径d由移测显微镜测量。,m通过液滴总质重量
5、和液滴数确定。,由上两式:,3.2 弯曲液面的附加压强,液面弯曲时,由于表面张力的存在,液面内外产生了压强差,这个压强差称为附加压强。,1. 附加压强的成因,f,f,P1=P0,s,水平液面,凹形液面(液内为参考点),P1,s,由于面元上所受的表面张力合力朝上,所以:,凸形液面(液内为参考点),s,P1,由于面元上所受的表面张力合力朝下,所以:,也可这样理解,类似弹性薄膜的液面本身有变平的趋势,于是便有上述结论。,由上可知,附加压强在数值上:,若将f合视为矢量f合指向液内的投影值,便有,凸液面产生了指向液内的正附加压强,凹液面产生了指向液面外的负附加压强。,2. 拉谱拉斯公式(附加压强的计算)
6、,df/,df,df,r,dl,取一球冠形的凸液面为研究对象。,因,得:,结论:,表面曲率度越大,表面张力系数越大,附加压强绝对值越大。,(凸),(凹),例:,解:,以液体为参考,气泡弧面为凹形面,有:,试求一恰在水面下的气泡内空气的压强,设气泡的半径R =510-6m,水的表面张力系数 =7310-3Nm-1,大气压强P0= 1.013105Pa。,P0,作业:,P52页: 3.3, 3.11 , 3.20,以液膜内B为参考点,则:,(肥皂泡),所以,液泡的内外压强差,R,随着半径的增加内部压强变小(为什么气泡越吹越省力),实验结果:A气泡半径增大,B气泡缩为球冠弧面。,压差实验,分析:,3
7、.3 毛细现象(Capillarity),纸张、煤油灯芯的毛细现象,土壤、植物根部的毛细现象,h,水在玻璃细管中上升,水银在玻璃细管中下降,液体在由固体构成的细管通道中上升或下降的现象称毛细现象。该细管通道称毛细管。,1. 液体对固体的润湿与不润湿,液体能否润湿固体取决于液体和固体的共同性质,如果液体在固体的表面能够形成球状液滴,和固体表面有一个最小的接触面积,就说液体不能润湿固体。,如果液体能在固体表面扩展开来,就说液体能够润湿固体。,例:,水可润湿玻璃但不能润湿石蜡。,水银不能润湿玻璃但可润湿锌板。,润湿,不润湿,(1) 接触角:,对润湿程度科学的,定量的描述。,固体表面经过液体内部和液体
8、表面所夹的角接触角。,q,润湿,q,不润湿,当 时,,液体润湿固体;,当 时,,液体完全润湿固体;,当 时,,液体不润湿固体;,当 时,,液体完全不润湿固体。,完全润湿,q,完全不润湿,接触角越大,不润湿程度液高。,(2) 微观机理:,内聚力大于附着力 不润湿,内聚力小于附着力 润湿,附着层,附着层,q,q,结论:,润湿与不润湿是形成弯曲液面的主要原因。,当液体润湿毛细管时,形成凹形液面。,则:,如果设想液面在毛细管内不上升,结论:,2. 毛细管内液面高度,C,B,h,所以,凹液面在毛细管内上升,毛细现象是由于润湿或不润湿现象和液体表面张力共同作用引起的。,(1) ,h0,即液体不润湿毛细管时
9、,毛细管内液面降低。,(2) ,,即液体完全润湿毛细管时,毛细管内液面升至最大值。,(3)毛细管内径越小, 越大,h的绝对值越大。,毛细管能提升水位到一定高度,其不可以用从毛细管流出的水做功而设计出毛细管永动机吗?,唉!,3. 毛细作用的典型实例,土壤毛细水,土壤空隙中的毛细水上下表面均为弯月面, 通过毛细孔于大气相通。,由流体静力学及毛细原理可得:,旱 压 冬 犁 提 墒 保 墒,夜间土壤表层温度低,水的表面张力系数较大;而在土壤较深层温度较高,水的表面张力系数较小,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水平。,保持土壤水分是农业增产的一个重要问题。,对于一般植物,如果土壤
10、含水量饱和,则毛细管全部被液态水充满,通气性能差;含水量过低,植物吸水困难,对作物生长不利。为了保持土壤中适当的含水量:,(1) 增加腐殖质不仅补充了肥料,还可以改善土壤的空隙结构,增加毛管水的贮量;,(2) 温室中通常渗流灌溉并对土壤含水量进行适时监控;,(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形成较好的毛细管,利于水分上升至地表;而冬天则应把土壤翻松,破坏土壤的毛细管,使水分不易上升到地表而被蒸发掉。,毛细永动机能否制造出来?,由 可知:,液体沿毛细管(液体润湿管壁)“自动地”上升的,如果毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度 h 小,液体能否自动从管子中流出来形成“
11、毛细永动机”?,高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。,实际上,毛细永动机是不可能存在的。,P0,A,P0,液体润湿管壁会产生一定的接触角q ,形成凹形液面,,从而产生一定的附加压强,即 A 点的压强为 ,在大气压的作用下,液面会上升;,如果毛细管露出水面的长度足够,液面会上升 。,如果毛细管露出水面的长度 h0 h ,则当液体上升到管口时,液面的曲率半径将增大,从而附加压强减小,PA 增大。,当曲率半径增大到 时, A 点压强增大 ,液面不再上升。,因此,即使毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度 h 小,也不会形成毛细永动机。,植物水分的运输机制,现在对植物水分向上运输机制由三种观点:,1
12、、毛细作用,植物体内的主要输水管道木质部导管是一个典型的毛细管系统,它由许多丧失了原生质的死细胞构成,直径约为 0.04mm 0.05mm。,玉米茎的横切面构造,多年生植物(朱槿)茎的横切面构造,室温条件下,水的表面张力系数约为a = 73103 Nm-1,取毛细管的半径 r =0.02 mm ,假设水完全润湿毛细管壁,得:,这个结论似乎说明对于低矮的植物靠毛细现象就可以满足水分向上运输的需要。,实际上植物导管的上端并不是敞开的(与上述毛细管模型不同),导管中从上到下均充满了水分,而且毛细现象无法满足稍高的植物的输水需要,更不要说参天大树了。,因此,植物水分上运输应该还有别的机制。,2、渗透作
13、用,在生命系统中有许多膜相结构都是半透膜,如细胞膜、动物的膀胱、肠衣等,它们都存在渗透现象。,如图所示的 U 形管底部有一半透膜 MN 将糖溶液分成两个浓度不同的区域,左侧浓度高,右侧浓度低。,半透膜只允许小分子通过,而不允许糖类分子、蛋白质分子等大分子通过,这一特性将使左右两边水的浓度相等。,H2O,溶质浓度低相当于水的浓度高,溶质浓度高相当于水的浓度低,所以水分子将通过半透膜向溶质浓度高的区域扩散,这种现象称为渗透现象。,由于渗透作用,U 形管左侧液面将升高,右侧液面将降低;,必须在左侧液面施加一个压强 P 才能使左右液面平齐,这个压强称为渗透压。,实验证明,早春时节枫树中糖溶液的向上运输
14、就是渗透压造成的。,在早春,枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻时水分通过渗透作用进入根系,迫使树液上升,直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止。渗透压可以使树液上升到 30m 以上的高度。,然而,在夏季,新陈代谢旺盛的植物根部的糖浓度要下降,此时单靠渗透压的作用是不够的。而且有些植物可以高达 60m 以上,如冷杉。,冷杉,这时无论是毛细作用还是渗透作用都无法满足水分向上运输的需要,或许还有其他的运输机制。,气体栓塞现象,两端压强相等,液滴静止。,当右端压强增加至临界压强时,液滴方可运动。,若在毛细管中的液体中产生了n个气泡,则在右端需增加n倍的临界压强,液滴才可移动。,结论:,
15、气泡过多,可能堵设塞毛细管,造成气体栓塞现象。,(1)静脉注射或肌肉注射时要将针管中的气体排除后再注射;,(2)当环境气压突然降低时,人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析出形成气泡;,比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。,(3)在温度升高时,植物体内的水分也会析出气体,形成气泡堵塞毛细管,使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。,气体栓塞现象的危害举例:,3.4 弯曲液面对饱和蒸汽压的影响,1. 蒸发与凝结,蒸发:发生在液体表面上的汽化过程。,凝结:与汽化相反的过程。,定义:,n 表示单位时间蒸发的分子数。,n 表示单位时间凝结的分子数。,宏观上的蒸发过程,宏观上的凝结过程,动态平
16、衡过程,影响蒸发的因素:,(1) 液体的性质,(2)温度,(3)液表面形状与面积,(4)通风条件。,2. 饱和蒸汽压,容器密闭时,,定义:,动态平衡时的蒸气饱和蒸汽;饱和蒸汽的压强饱和蒸汽压。,影响饱和蒸汽压的因素:,(1)温度,液面敞开时,蒸汽扩向远方, 蒸发过程持续到结束。,蒸发进行,蒸气密度,凝结加快,在一定温度下,饱和蒸汽的密度具有恒定的值,饱和蒸汽压与体积的大小以及有无其它气体存在无关。,从能量角度:,(2)液面形状,凹形液面的饱和蒸汽压小,凸形液面的饱和蒸汽压大。,凹液面多一部分阴影区,凸液面少一部分阴影区,M分子要脱离凹液面,需要克服相对较多的分子引力做功;而凸液面恰与此相反。,
17、曲率半径越小,分子脱离凹液面需要克服分子数相对越多;分子脱离凸液面需要克服分子数相对越少。,结论:,凸液面的饱和蒸汽压较大,凹液面的饱和蒸汽压较小;曲率半径越小,凸液面的饱和蒸汽压越大,凹液面的饱和蒸汽压越小。,从压强角度:,凸液面的外部压强小于内部压强,分子相对容易脱离液面,所以其饱和蒸汽压相对较大,而凹液面正与此相反。,秋冬季节温度降低时,地面上空的蒸汽密度超过了该温度下饱和蒸汽的密度,蒸汽凝结成水珠,形成霜露、雾。,3. 典型实例,秋、冬季节的霜露、雾现象。,人工降雨。,(1) 干冰降温法,(2) 凝结法(凝结核碘化银等),课堂作业,判断题:,(1)表面张力系数与液面的大小有关.,(2)表面张力是由于液面层分子受力不对称引起的.,(3)液体的表面能与表面积成正比.,(4)对于凸形液面,液内压强小于液外压强.,(5)毛细现象完全是由表面张力引起的.,填空题:,(1)液体具有特殊的表面性质,在与空气接触处形成的表面表现出 ,而在与固体接触处形成的表面出现 现象.,(2)当附着力大于内聚力时,液体 固体表面;而当内聚力大于附着力时,液体 固体表面.,(3)液体对固体的润湿程度可用接触角来说明,当为 角时,液体润湿固体;而当为 角时,液体不润湿固体.,(4)随着温度的升高,液体的表面张力系数 (减小,增大,不变).,单选题
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