《液体的表面性质》PPT课件.ppt

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1、液体的表面现象,医用物理学,教学内容： 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 了解肺泡的压强、气体栓塞以及表面吸附现象等,第四章 液体的表面现象,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,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。 液体分子间距较气体小了一个数量级 , 分子排列较紧密，分子间作用力较大,其热运动与固体相似 ,主要在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。

2、 这是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。,由于液体分子间距小，分子间相互作用力较大，当液体与气体、固体接触时，交界处由于分子力作用而产生一系列特殊现象，即：液体表面现象。,1、分子力的特点,：斥力,：引力,有效直径：,有效作用半径：,合力,斥力,引力,根据分子之间作用力对这种微观结构的进一步解释,6、微观力与宏观力的关系,3、表面层：,4、表面能：表面层分子势能内部分子势 能，形成表面能。,5、形成表面张力 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。,球内分子引力，,分子作用球,2、分子作用球：半径：

3、R、,球外分子无作用力。,表面层分子受力：合力向下。,7、 界面（interface）： 密切接触的两相间的过渡区，约 10-910-8 m， 有几个分子层厚,8、表面（surface）： 其中的一项为气体（习惯）。如：气- 固，气-液。,五类界面：气-液，气- 固， 液- 固 ，液1-液2 ， 固1- 固2,第一节 表面张力 表面能,一、表面张力,1.现象：,说明：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。,(2)液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。,(1)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缩成最小的宏观张力。,表面张力（surface tension）,液体表

4、面有收缩到最小的趋势,从分子运动论观点说明,分子作用球： 在液体内部任取一分子A ,以A为球心，以分子有效作用半径R 为半径作一球，称为分子作用球 。球外分子对A 无作用力，球内分子对A 的作用力对称分布，合力为零。,2.表面张力产生的原因,从表面层中任取一分子B，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不同,都受一个指向液体内部的合力 。,在这些力作用下，液体表面的分子有被拉进液体内部的趋势。,在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势。,任何系统的势能越小越稳定，所以表面层内的分子有尽量挤入液体内部的趋势，即液面有收缩的趋势，这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力。表面

5、张力是宏观力，与液面相切; f 是微观力，与液面垂直。,从能量观点来分析,把分子从液体内部移到表面层，需克服 f 作功;外力作功,分子势能增加,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;各个分子势能增量的总和称为表面能，用E 表示。,二、表面张力系数,我们想象在液面上画一条直线段，线段两侧液面均有收缩的趋势，即有表面张力作用，该力与液面相切,与线段垂直，指向各自的一方,分别用f 和f表示，这恰为一对作用力与反作用力， f = - f。,为表面张力系数，数值上等于单位长度直线段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,线段越长,则合力越大。设线

6、段长为l ,则：f =l 。,如图所示，铁丝框上挂有液膜，表面张力系数为，将AB边无摩擦、匀速、等温地右移x，在AB边上加的力为：F =2l ，则在这个过程中外力F 所做的功为:,其中S = 2lx ,是AB 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E 表示表面能增量，则：,三、表面张力系数的测定与表面能增量,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）,A,B,d,质量为m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。当表面张力不足以支持重力时，水滴下落，则：W=

7、f,四、影响表面张力系数的因素,与液体的性质有关：不同液体，值不同；密度小、易挥发的液体值较小。如酒精的值很小，金属 熔化后的值很大。 与相邻物质性质有关：同一液体与不同物质交界，值不同。 与温度有关：温度升高，值减小，两者近似呈线性关系。 与液体内所含杂质有关：在液体内加入杂质，液体的表面张力系数将显著改变，有的使其值增加；有的使其值减小。使值减小的物质称为表面活性物质。,部分液体的表面张力系数,第二节 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，弯曲液面内外存在一压强差，称为附加压强, 用Ps 表示。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积S ,由于液面水平

8、，表面张力沿水平方向， S 平衡时，其边界表面张力相互抵消,S 内外压强相等：,1.水平液面,2.弯曲液面,凸液面时，如图D s周界上表面张力沿切线方向，合力指向液面内，D s好象紧压在液体上，使液体受一附加压强ps ,由力平衡条件可知，液面下液体的压强：,附加压强与外部压强相同为正，相反为负。,凹液面时，如图D s周界上表面张力的合力指向外部，D s如好象被拉出，液面内部压强小于外部压强，由力平衡条件可知，液面下液体的压强：,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，附加压强方向恒指向曲率中心,3.球冠形液面,已知：呈凸状的弯曲液面上截出一个球冠形小液面，将其周边

9、界分成许多小段l，小段l作用于该小液面上的表面张力大小为：,f的方向与l相切，现将分解成两个互相垂直的分量f1 、 f2 ，如图所示，其中f1的方向指向液面内部， f2方向平行于整液面,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，与球面半径R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，这正是水平液面的情况。,球形凸液面内压强,球形凹液面内压强,附加压强PS：由于液面弯曲，因表面张力而产生的，指向弯曲液面曲率中心的压强， PS并不是某处液体得压强值P，而是由于有弯曲液面的存在，所产生的压强的增量值。,例1、已知某球形液膜的半径为R，表

10、面张力系数为 ，求该球形液膜内外压强差,则,注意：弯曲液面的附加压强与液面层数有关，实 际应用时要区分单层液面与双层液膜。,若PA为标准大气压PO，则,例2、两个大小不同且同性质的液泡用一连通管联通，如果连通管中的阀门打开，会出现什么现象？,分析：,气体由A流向B，直到最终A形成一个球冠形液膜，且使得 ，这时有,例3、有一半径 的球形肥皂泡，在标准大气压中形成，泡膜的表面张力系数 ，问此时泡内压强有多大？（ ）,分析：设泡内的附加压强为 ，则泡内压强为,第三节 毛细现象,润湿: 液体沿固体表面延展的现象，称液体润湿固体。,一、润湿与不润湿,不润湿：液体在固体表面上收缩的现象，称液体不润湿固体。

11、,润湿、不润湿与相互接触的液体、固体的性质有关。,水玻璃：润湿,水石蜡：不润湿,1、现象,2、润湿与不润湿的物理过程,（1）附着层：固液接触处，厚度等R的一层液体,（2）附着层内分子受力与液面形状,3、定量描述,（1）接触角 固液接触处，固体表面与液体表面 的切线在液体内部形成的角。,（2）润湿 ：,完全润湿：,不润湿,完全不润湿,4、掺杂对接触角的影响,（1）润湿剂、清洁剂：使 减小 （2）防水剂：使 增大,5、典型的润湿与不润湿现象,（1）纯水润湿洁净的玻璃；水银润湿洁净的锌 板铜板或铁板 （2）纯水不润湿石蜡；水银不润湿玻璃,二、毛细现象,润湿管壁的液体在细管里升高，不润湿管壁的液体在细

12、管里下降的现象。,1、现象：,水玻璃管 液面上升；水银玻璃管 液面下降,2、本质：,毛细管刚插入水中时，管内液面为凹液面， PC = P0 ,PB P0 , PB PC,根据流体静力学原理，静止流体同高的压强应该相等，B、C 为等高点，但PB PC ，所以液体不能静止，管内液 面将上升，直至PB =PC 为止,3、管内液面上升（或下降）的高度,由图,当：,设毛细管半径为r,则,4、毛细现象的应用-悬着水,水沿土壤颗粒间隙形成的毛细管上升，叫毛细管上升水。土壤中的毛细管起着分配、保持土壤中的水分作用。土壤毛细管中存在的水叫悬着水，其在土壤毛细管中能保持的原因是：,当土壤温度变化时，悬着水两端温度

13、不同，温度高的一端值减小，导致该端Ps 减小，使悬着水向温度低处移动。,5、毛细现象的延伸-气体栓塞,举例: 病人输液；潜水员由深水上浮；植物高温下枯萎。,如图，毛细管中有一段液体，液体左右两端压强相等,形成对称的弯液面，欲使液柱向右移动， 则在左侧加一压强P，这时两侧液面形状改变，右侧曲率半径增大 , 左侧曲率半径减小，产生向左的附加压强差来抵抗P ,当P 达到一定程度时，液柱才能移动。,当毛细管中有很多气泡，则外加几个大气压都不能使液柱移动，形成栓塞, 称气体栓塞现象。,第四节 表面吸附和表面活性物质,一、表面活性物质,1、表面层收缩趋势越大，液体的表面张力系数越大,2、能够减小液体表面张

14、力系数的物质称为该液体的表面活性物质 水的表面活性物质有：胆盐、卵磷脂、肥皂、有机酸,3、能够增大液体表面张力系数的物质称为该液体的表面非活性物质 水的表面非活性物质有：氯化钠、淀粉、糖类,4、表面活性物质和表面非活性物质是相对的，对某种液体是表面活性物质，对另一种液体则可能是表面非活性物质,二、表面吸附,保持液滴形状,伸展开成一薄膜,-表面吸附现象,能够使溶液表面张力减小的溶质称为表面活性物质,固体吸附吸附度,举例: 白陶土； 活性炭； 净水器。,探讨肺泡表面活性物质在肺呼吸过程中的作用,肺位于胸腔内，支气管在肺内分成许多小支气管，每个小支气管末端附有很多小气囊，称为肺泡。 肺泡腔里是气体，

15、肺泡壁则有一层液体，这样就构成了气液交界面，同时会在气液界面上存在向肺泡中心回缩的表面张力。 若每个肺泡内气液界面的表面张力系数相同，小肺泡内的压强大于大肺泡内的压强，有可能使小肺泡萎缩，大肺泡膨胀，但这种情况在肺内并没有出现，原因就是表面活性物质的作用。 肺泡表面液层中分布有一定量的、由肺泡II型细胞分泌的一种脂蛋白，它可起降低表面张力系数的作用。,二、肺泡的活动,吸气时，肺泡扩张，表面积增加，表面活性物质浓度减小，表面张力系数增加，附加压强相对增加，保证肺泡不过分扩大。,呼气时，肺泡缩小，表面积减小，表面活性物质浓度增加，表面张力系数减小，附加压强相对减小，保证肺泡不过分萎缩。,肺泡大小变

16、化时，表面活性物质的浓度随之改变，起着调节表面张力大小的作用，以至于保持肺泡大小变化不大。 另外还稳定大小肺泡中的压强，不至于连通的肺泡中大肺泡变大，小肺泡缩小。,注意：大小泡问题,第三章 学习要点,一、表面张力 1、概念：表面张力系数的定义 2、影响表面张力系数的因素,大小：单层液面 双层液膜,二、弯曲液面的附加压强 方向：指向弯曲液面的曲率中心,三、润湿不润湿、毛细现象,2、毛细现象,注意：,r：毛细管半径，,中的 ：弯曲液面的曲率半径。,练 习：,1、使液体表面张力系数减小的途径是 或 。,2、 已知某液体表面张力系数 为 ，则恰好能把一个半径 为R 的细金属圆环从液体中 拉出需用力为

17、。,3、 一个半径为2.00102m的肥皂泡 它的内外压强差为 ， 如果温度升高，此压强差将 。 （a = 25.0103 N / m）,4、两根材料相同的毛细管插入同一液体中，液面上升高度比为 = 23，两毛细管半径比 。,5、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上升高度为 ；另一个插在酒精里，酒精上升高度为 ，管子插入时都是铅直的，表面张力系数 =7310-3N/m ， =2210-3N/m，酒精密度 = 0.8g/cm，设两种液体接触角 = 0，则 ： 为 。,作 业：,53页习题 4-3 4-4 4-5 4-6,Thank You!,练 习：,（升温、掺入表面活性物质）,1、使液体表面张力系数减小的途径是 或 。,2、 已知某液体表面张力系数 为 ，则恰好能把一个半径 为R 的细金属圆环从液体中 拉出需用力为 。,3、 一个半径为2.00102m的肥皂泡 它的内外压强差为 ， 如果温度升高，此压强差将 。 （a = 25.0103 N / m）,4、两根材料相同的毛细管插入同一液体中，液面上升高度比为 = 23，两毛细管半径比 。,5、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上升高度为 ；另一个插在酒精里，酒精上升高度为 ，管子插入时都是铅直的，表面张力系数 =7310-3N/m ， =2210-3N/m，酒精密度 = 0.8g/cm，设两种液体接触角 = 0，则 ： 为 。,