液体的表面性质PPT课件.ppt
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1、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医用物理学教学内容:教学内容:了解产生液体表面现象的微观机制了解产生液体表面现象的微观机制掌握表面张力系数以及表面张力掌握表面张力系数以及表面张力掌握弯曲液面内的附加压强公式掌握弯曲液面内的附加压强公式 理解润湿与不润湿现象、毛细现象理解润湿与不润湿现象、毛细现象了解肺泡的压强、气体栓塞以及表面吸附现象等了解肺泡的压强、气体栓塞以及表面吸附现象等第四章第四章 液体的表面现象液体的表面现象液体有哪些特性质?液体有哪些特性质?液体的性质介于固体与气体之间。一方面,它像固液体的性质介于固体与气体之间。一方面,它像固体一样具有一定的体积,不易压缩
2、另一方面,它又像体一样具有一定的体积,不易压缩;另一方面,它又像气体一样,没有一定的形状,具有流动性气体一样,没有一定的形状,具有流动性 液体的性质与其微观结构有关液体的性质与其微观结构有关液体具有一定的体积,不易压缩。液体具有一定的体积,不易压缩。液体分子间距较气体小了一个数量级液体分子间距较气体小了一个数量级 ,分子排列较分子排列较紧密,分子间作用力较大紧密,分子间作用力较大,其热运动与固体相似其热运动与固体相似 ,主要在主要在平衡位置附近作微小振动。平衡位置附近作微小振动。液体没有一定形状,并具有流动性。液体没有一定形状,并具有流动性。这是由于液体分子振动的平衡位置不固定,是近程有这是
3、由于液体分子振动的平衡位置不固定,是近程有序,即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的规则性。序,即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的规则性。由于液体分子间距小,分子间相互作用力较大,由于液体分子间距小,分子间相互作用力较大,当液当液体与气体、固体接触时,交界处由于体与气体、固体接触时,交界处由于分子力作用分子力作用而产生一而产生一系列特殊现象,即:液体表面现象。系列特殊现象,即:液体表面现象。1、分子力的特点、分子力的特点:斥力斥力:引力引力 有效直径:有效直径:有效作用半径:有效作用半径:合力合力斥力斥力引力引力根据分子之间作用力对这种微观结构的进一步解释根据分子之间作用力对这种微观结构的
4、进一步解释表面层表面层6、微观力与宏观力的关系、微观力与宏观力的关系3、表面层:、表面层:4、表面能:表面能:表面层分子势能内部分子势表面层分子势能内部分子势 能,形成表面能。能,形成表面能。5、形成、形成表面张力表面张力 系统以势能最小的状态最稳定,液体有系统以势能最小的状态最稳定,液体有 尽量缩小其表面的趋势,宏观表面为表面张力。尽量缩小其表面的趋势,宏观表面为表面张力。球内分子引力,球内分子引力,分子作用球分子作用球2、分子作用球:、分子作用球:半径:半径:R、球外分子无作用力。球外分子无作用力。表面层分子受力:合力向下。表面层分子受力:合力向下。7、界面界面(interface):):
5、密切接触的两相间的过渡区,约密切接触的两相间的过渡区,约 10-910-8 m,有几个分子层厚有几个分子层厚8、表面(、表面(surface):):其中的一项为气体(习惯)。如:其中的一项为气体(习惯)。如:气气-固,气固,气-液液。五类界面:气五类界面:气-液,气液,气-固,固,液液-固固,液,液1-液液2,固固1-固固2第一节第一节 表面张力表面张力 表面能表面能一、表面张力一、表面张力1.1.现象:现象:说明:说明:液面上存在沿表面的收缩力作用,这种力液面上存在沿表面的收缩力作用,这种力只存在于液体表面。只存在于液体表面。(2)(2)液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。液面像紧绷的橡皮膜具有弹性
6、1)(1)液面有收缩到最小的趋势;液面有收缩到最小的趋势;液体的表面层中有一种使液面尽可能收液体的表面层中有一种使液面尽可能收缩成最小的宏观张力。缩成最小的宏观张力。表面张力表面张力(surface tension)液体表面液体表面有收缩到最小的趋势有收缩到最小的趋势从分子运动论观点说明从分子运动论观点说明分子作用球:分子作用球:在液体内部任取一在液体内部任取一分子分子A,以以A为球心,为球心,以分子有效作用半径以分子有效作用半径R 为半径作一球,称为为半径作一球,称为分子作用球分子作用球 。球外分。球外分子对子对A 无作用力,球无作用力,球内分子对内分子对A 的的作用力作用力对称分布,合
7、力为零。对称分布,合力为零。2.2.表面张力产生的原因表面张力产生的原因 从表面层中任取一分子从表面层中任取一分子B,其受合力与液面垂直,其受合力与液面垂直,指向液内,这使得表面层内的分子与液体内部的分子指向液内,这使得表面层内的分子与液体内部的分子不同不同,都受一个指向液体内部的合力都受一个指向液体内部的合力 。在这些力作用在这些力作用下,液体表面的分下,液体表面的分子有被拉进液体内子有被拉进液体内部的趋势。部的趋势。在宏观上就表在宏观上就表现为液体表面有收现为液体表面有收缩的趋势。缩的趋势。任何系任何系统的的势能越小越能越小越稳定,所以表面定,所以表面层内的内的分子有尽量分子有尽量挤入液体
8、内部的入液体内部的趋势,即液面有收,即液面有收缩的的趋势,这种种趋势在宏在宏观上就表上就表现为液体的表面液体的表面张力。力。表面表面张力是宏力是宏观力,与液面相切力,与液面相切;f 是微是微观力,与力,与液面垂直。液面垂直。从能量观点来分析从能量观点来分析 把分子从液体内部移到表面层,需克服把分子从液体内部移到表面层,需克服 f 作作功功;外力作功外力作功,分子势能增加分子势能增加,即表面层内分子的势即表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大,表面层为高势能区能比液体内部分子的势能大,表面层为高势能区;各个分子势能增量的总和称为各个分子势能增量的总和称为表面能表面能,用,用E 表示。表示。二、
9、表面张力系数二、表面张力系数 我们想象在液面上画一条我们想象在液面上画一条直线段,线段两侧液面均有收直线段,线段两侧液面均有收缩的趋势,即有表面张力作用,缩的趋势,即有表面张力作用,该力与液面相切该力与液面相切,与线段垂直,与线段垂直,指向各自的一方指向各自的一方,分别用分别用f 和和f表示,这恰为一对作用力与反表示,这恰为一对作用力与反作用力,作用力,f =-f。为为表面张力系数表面张力系数,数值上等于单位长度直线段,数值上等于单位长度直线段两侧液面的表面张力,单位:两侧液面的表面张力,单位:N/m 。由于线段上各点均有表面张力作用由于线段上各点均有表面张力作用,线段越长线段越长,则合力越大
10、设线段长为则合力越大。设线段长为l,则:则:f =l。如图所示,铁丝框上挂有液膜,如图所示,铁丝框上挂有液膜,表面张力系数为表面张力系数为,将,将AB边边无摩擦无摩擦、匀速匀速、等温等温地右移地右移x,在,在AB边上加边上加的力为:的力为:F=2=2l ,则在这个过程中,则在这个过程中外力外力F 所做的功为所做的功为:其中其中S S=2lx ,是是AB 向右移动过程中液面面积的增量。向右移动过程中液面面积的增量。外力克服分子间引力做功,表面能增加,若用外力克服分子间引力做功,表面能增加,若用E 表示表面表示表面能增量,则:能增量,则:三、表面张力系数的测定与表面能增量三、表面张力系数的测定与
11、表面能增量 表面张力系数在数值上等于增加单位液体表面积时,外力表面张力系数在数值上等于增加单位液体表面积时,外力所需做的功,或增加单位液体表面积时,表面能的增加。所需做的功,或增加单位液体表面积时,表面能的增加。表面张力系数的测定(液滴测定法)表面张力系数的测定(液滴测定法)ABd 质量为质量为m m的待测液体吸入移液管,由的待测液体吸入移液管,由管口下端缓慢流出,形成袋状水滴。当管口下端缓慢流出,形成袋状水滴。当表面张力不足以支持重力时,水滴下落,表面张力不足以支持重力时,水滴下落,则:则:W=fW=f四、影响表面张力系数的因素四、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
12、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。如酒精的值较小。如酒精的值很小,金属值很小,金属 熔化后的熔化后的值很大。值很大。与相邻物质性质有关与相邻物质性质有关:同一液体与不同物质交界,:同一液体与不同物质交界,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,两者近似呈线值减小,两者近似呈线性关系。性关系。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,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
13、物质称为表面活表面活性物质。性物质。物质物质 水水 水水 水水 汞汞 汞汞 界面物质界面物质 温度温度 空气空气 2020 72.8 72.8 空气空气 4040 69.6 69.6 醚醚 20 20 12.2 12.2 空气空气 2020 490 490 水水 2020 420 420 物质物质 菜油菜油 乙醚乙醚 酒精酒精 皂液皂液 血液血液 界面物质界面物质 温度温度 空气空气 2020 27.3 27.3 空气空气 2020 17.0 17.0 空气空气 2020 22.3 22.3 空气空气 2020 25.2 25.2 空气空气 3737 40-50 40-50部分液体的表面张力系
14、数部分液体的表面张力系数第二节第二节 弯曲液面内外的压强差弯曲液面内外的压强差 自然界中有许多情况下液面是弯曲的,弯曲自然界中有许多情况下液面是弯曲的,弯曲液面内外存在一压强差,称为附加压强液面内外存在一压强差,称为附加压强,用用Ps 表表示。附加压强是由于表面张力存在而产生的。示。附加压强是由于表面张力存在而产生的。在液体表面上取一小面在液体表面上取一小面积积S S,由于液面水平,由于液面水平,表面张力沿水平方向,表面张力沿水平方向,S S 平衡时,其边界表平衡时,其边界表面张力相互抵消面张力相互抵消,SS 内内外压强相等:外压强相等:1.1.水平液面水平液面 2.2.弯曲液面弯曲液面 凸液
15、面时,如图凸液面时,如图D s周周界上表面张力沿切线方向,界上表面张力沿切线方向,合力指向液面内,合力指向液面内,D s好好象紧压在液体上,使液体象紧压在液体上,使液体受一附加压强受一附加压强ps,由力平由力平衡条件可知,液面下液体衡条件可知,液面下液体的压强:的压强:附加压强与外部压强相同为正,相反为负。附加压强与外部压强相同为正,相反为负。凹液面时,如图凹液面时,如图D s周界周界上表面张力的合力指向外上表面张力的合力指向外部,部,D s如好象被拉出,液如好象被拉出,液面内部压强小于外部压强,面内部压强小于外部压强,由力平衡条件可知,液面由力平衡条件可知,液面下液体的压强:下液体的压强:附
16、加压强使弯曲液面内外压强不等,与液面曲率附加压强使弯曲液面内外压强不等,与液面曲率中心同侧的压强恒大于另一侧,附加压强方向恒指中心同侧的压强恒大于另一侧,附加压强方向恒指向曲率中心向曲率中心3.3.球冠形液面球冠形液面 coRjjlf 2/f 1fr已知:呈凸状的弯曲液面上已知:呈凸状的弯曲液面上截出一个球冠形小液面,将截出一个球冠形小液面,将其周边界分成许多小段其周边界分成许多小段l,小段小段l作用于该小液面上的作用于该小液面上的表面张力大小为:表面张力大小为:f的方向与的方向与l相切,现将分解成两个互相垂直的分相切,现将分解成两个互相垂直的分量量f1、f2,如图所示,其中,如图所示,其中f
17、1的方向指向液面的方向指向液面内部,内部,f2方向平行于整液面方向平行于整液面 拉普拉斯球面附加压强公式拉普拉斯球面附加压强公式 球形液面附加压强与表面张力系数成正比,与球面球形液面附加压强与表面张力系数成正比,与球面半径半径R R成反比。半径越小,附加压强越大;半径越大,成反比。半径越小,附加压强越大;半径越大,附加压强越小;半径无限大时,附加压强等于零,这附加压强越小;半径无限大时,附加压强等于零,这正是水平液面的情况。正是水平液面的情况。coRjjlf 2/f 1fr 球形凸液面内压强球形凸液面内压强 球形凹液面内压强球形凹液面内压强 附加压强附加压强PS:由于液面弯曲,因表面张力而产生
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