液体表面现象精品文稿.ppt

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1、液体表面现象2022/10/231第1页，本讲稿共46页上上章章讨讨论论的的是是液液体体流流动动时时的的规规律律，液液体体还还有有一一个个显显著著的的特特征征是是它它的的自自由由表表面面，由由于于自自由由表表面面的的存存在在，使使其其出出现现了了各各种种各样的表面现象。各样的表面现象。液体内部由于分子的紊乱运动，各个方向的物理性液体内部由于分子的紊乱运动，各个方向的物理性质是完全相同的，即各向同性。质是完全相同的，即各向同性。在液体表面，无论是液体与气体之间的自由表面，在液体表面，无论是液体与气体之间的自由表面，两种不能混合的液体之间的液面或是液体与固体之间两种不能混合的液体之间的液面或是液体

2、与固体之间的液面，各个方向的性质就很不相同，出现的液面，各个方向的性质就很不相同，出现表面张力，表面张力，表面能，液面附加压强，毛细现象表面能，液面附加压强，毛细现象等一系列表面现象。等一系列表面现象。2022/10/232第2页，本讲稿共46页5.1 表面张力与表面能液体的表面层和表面能液体的表面层和表面能表面张力系数表面张力系数2022/10/233第3页，本讲稿共46页1 1、表面张力现象：、表面张力现象：2 2、用分子力来解释表面张力：用分子力来解释表面张力：分子平衡距离为：分子平衡距离为r0 10-10m，当分子间距当分子间距rr0时：时：a)满足满足10-10mr010-9m时分子

3、力为时分子力为引力引力b)满足满足r010-9m时分子力趋近于时分子力趋近于0液体表面如紧张的薄膜，有收缩成面积最小的趋势。液体表面如紧张的薄膜，有收缩成面积最小的趋势。如：荷叶上的小水滴收缩成球形，如：荷叶上的小水滴收缩成球形，玻璃板上的水银小滴收缩成球形，玻璃板上的水银小滴收缩成球形，缝衣针可以轻轻地放在水面上而不下沉等。缝衣针可以轻轻地放在水面上而不下沉等。都说明液体表面有张力的存在，这种能使表面缩小的都说明液体表面有张力的存在，这种能使表面缩小的张力为张力为表面张力表面张力。2022/10/234第4页，本讲稿共46页 分子作用球：分子作用球：分子引力分子引力有效有效作用范围是半径为作

4、用范围是半径为10-9m的球形区域，的球形区域，落在此球面内的所有分子落在此球面内的所有分子对对球心分子都有引力作用球心分子都有引力作用，这这个球称个球称为为分子作用范分子作用范围围或或分子作用球。分子作用球。表面层：表面层：液体表面取厚度等于分液体表面取厚度等于分子作用球半径的一层子作用球半径的一层为为液体表面层。液体表面层。表面表面层层里里的分子受力情况与液体的分子受力情况与液体内部有所不同内部有所不同 。2022/10/235第5页，本讲稿共46页：表面张力产生原因表面张力产生原因：表面层内表面层内液体分子受到指向液体内部的力的作用，宏液体分子受到指向液体内部的力的作用，宏观上表现为观上

5、表现为表面张力表面张力。所有位于表面层内部的液体分子都受到垂直液面并所有位于表面层内部的液体分子都受到垂直液面并指向液体内部的分子引力作用。而这些引力又被一指向液体内部的分子引力作用。而这些引力又被一些十分靠近的的斥力所平衡，使这些分子能够停留些十分靠近的的斥力所平衡，使这些分子能够停留在液体的表面层。在液体的表面层。定义：定义：增加单位面积的液体表面积所作的功为增加单位面积的液体表面积所作的功为 液体的液体的表面能表面能。单位：。单位：J/m23 3、表面能：、表面能：2022/10/236第6页，本讲稿共46页 将液体内部分子移动到表面层，需要克服引力作功，将液体内部分子移动到表面层，需要

6、克服引力作功，使分子势能增加使分子势能增加,所以表面层分子具有更多的势能：所以表面层分子具有更多的势能：推论：推论：a):a):系统总有将势能减少到系统总有将势能减少到 最小的趋势，所以最小的趋势，所以液体液体 表面积总是收缩到最小。表面积总是收缩到最小。b):b):若要增加液体表面积，若要增加液体表面积，需要作功移动更多的分需要作功移动更多的分 子进入表面层，增加势能。子进入表面层，增加势能。2022/10/237第7页，本讲稿共46页2 2、表面张力的、表面张力的方向方向：1 1、表面张力系数表面张力系数：液面上单位长度的张力。用液面上单位长度的张力。用 表示，单位：表示，单位：N/m 对

7、于液体的边界上或液体表面上任何一条线的两侧对于液体的边界上或液体表面上任何一条线的两侧物质，彼此之间都有拉力作用，这个物质，彼此之间都有拉力作用，这个拉力处在液面平面拉力处在液面平面之内并与该线垂直之内并与该线垂直。如下图所示：。如下图所示：金属丝环金属丝环丝线丝线(a)(a)丝线套内肥皂膜未刺破时丝线套内肥皂膜未刺破时(b)(b)丝线套内肥皂膜刺破时丝线套内肥皂膜刺破时2022/10/238第8页，本讲稿共46页4 4、若液膜有两个表面：、若液膜有两个表面：如图：如图：U U形金属框架形金属框架ABCDABCD有有一可以滑动的金属丝一可以滑动的金属丝BCBC，其，其上有一液体薄膜。上有一液体

8、薄膜。LF2LABCDBCx为保持金属丝不动需要有为保持金属丝不动需要有一外力一外力F F将将BCBC边拉住。边拉住。3 3、表面张力的、表面张力的大小大小：跟液面设想（或研究）的分界线的长度成正比，跟液面设想（或研究）的分界线的长度成正比，可以写成：可以写成：2022/10/239第9页，本讲稿共46页由于液薄膜有两个表面，所以金属丝平衡时有：由于液薄膜有两个表面，所以金属丝平衡时有：或或1 1）表面张力系数）表面张力系数 与液体的性质（纯净度）有关，随与液体的性质（纯净度）有关，随 温度变化温度变化：说明：说明：2 2）表面张力不随面积变化，因为液面分子间距不变，）表面张力不随面积变化，因

9、为液面分子间距不变，这与弹性膜弹力不同。这与弹性膜弹力不同。2022/10/2310第10页，本讲稿共46页3）表面张力系数与表面能的关系：）表面张力系数与表面能的关系：LF2LABCDBCx若若 F 将金属丝向右拖动将金属丝向右拖动 x 的距离的距离：液面面积增加：液面面积增加：表面能：表面能：作功：作功：2022/10/2311第11页，本讲稿共46页 表面能的数值和单位与表面张力系数表面能的数值和单位与表面张力系数 完全一致，完全一致，所以所以 可定义为：可定义为：增加单位液面所作的功或增加单位液增加单位液面所作的功或增加单位液面时势能的增量面时势能的增量。例：例：水和油边界的表面张力系

10、数水和油边界的表面张力系数 =1.810=1.810-2-2 N m-1，为了使质量为为了使质量为1.0101.010-3-3 kg的油在水内散布成半径的油在水内散布成半径 r=1010-6-6 m的小油滴，需要作多少功？散布过程可的小油滴，需要作多少功？散布过程可 以认为是等温的。油的密度是以认为是等温的。油的密度是 =900 900 kg m3。2022/10/2312第12页，本讲稿共46页解解:一个大的油滴在等温地散布成大量的小油滴时，一个大的油滴在等温地散布成大量的小油滴时，能量仅消耗在形成增加的表面积上，即作功全部转能量仅消耗在形成增加的表面积上，即作功全部转化为小油滴的表面能，易

11、知作功为化为小油滴的表面能，易知作功为:式中是增加的表面积。设式中是增加的表面积。设n n是个小油滴的数目，是个小油滴的数目，R R是是大油滴的半径，则大油滴的半径，则由于油的质量不会改变，所以由于油的质量不会改变，所以:2022/10/2313第13页，本讲稿共46页由此可得到由此可得到:因而因而 由由 可求得小油滴数可求得小油滴数n n为为:2022/10/2314第14页，本讲稿共46页因为因为1 1与与 相比较可以忽略，相比较可以忽略，最后求得最后求得:2022/10/2315第15页，本讲稿共46页5.2 表面吸附和表面活性物质表面吸附和表面活性物质表面吸附和表面活性物质2022/1

12、0/2316第16页，本讲稿共46页1 1、表面吸附原理：、表面吸附原理：f12f1f2液滴液滴浮在另一种液体浮在另一种液体的表面上的表面上第第种液体的表面张力系数种液体的表面张力系数 ；第第种液体的表面张力系数种液体的表面张力系数 ；两种液体相接触的表面上表面张力系数两种液体相接触的表面上表面张力系数 。设：设：2022/10/2317第17页，本讲稿共46页 则则在在液液滴滴的的单单位位长长度度的的圆圆周周上上都都有有3 3个个界界面面会会合合，都都作用着作用着3 3个表面张力个表面张力 f1,f2,f12,分别与相应分别与相应 的表面相切。的表面相切。当液滴成型并保持平衡时应有：当液滴成

13、型并保持平衡时应有：（矢量相加）（矢量相加）显然当显然当3 3个力的大小必须满足：个力的大小必须满足：由于由于，所以，所以2022/10/2318第18页，本讲稿共46页当当液滴可维持成型并平衡液滴可维持成型并平衡若若三力不可能平衡，则三力不可能平衡，则液滴液滴会在液面会在液面上伸展成一薄膜。上伸展成一薄膜。2 2、表面吸附定义：、表面吸附定义：液滴液滴在液面在液面上伸展成一薄膜的现象，称为上伸展成一薄膜的现象，称为表面表面吸附现象。吸附现象。其中液体其中液体为液体为液体的表面活性物质，的表面活性物质，为为吸附剂吸附剂 。表面活性物质有表面活性物质有降低吸附剂表面张力和表面能的作用降低吸附剂表

14、面张力和表面能的作用。3 3、表面活性物质：、表面活性物质：如胆盐、有机酸、肥皂、蛋黄素等都是水的活性物质。如胆盐、有机酸、肥皂、蛋黄素等都是水的活性物质。2022/10/2319第19页，本讲稿共46页 一定时，一定时，自动减小表面积自动减小表面积S S；（荷叶水滴，玻璃水；（荷叶水滴，玻璃水 银滴自动呈球形）银滴自动呈球形）肥皂水容易吹泡而纯水难，是因为肥皂分子自动肥皂水容易吹泡而纯水难，是因为肥皂分子自动填入水的表面层，而降低了水的填入水的表面层，而降低了水的 和表面能。和表面能。表面浓度表面浓度：吸附剂单位面积上表面活性物质的分子数。：吸附剂单位面积上表面活性物质的分子数。4 4、减小

15、表面势能、减小表面势能(A=S)的方式：的方式：S S一定时，自动减小表面张力系数一定时，自动减小表面张力系数，（表面活性物质自动进入表面层）；（表面活性物质自动进入表面层）；同时自动减小表面积同时自动减小表面积S S和减小表面张力系数。和减小表面张力系数。2022/10/2320第20页，本讲稿共46页5.3 弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强肺泡内外的压强差肺泡内外的压强差2022/10/2321第21页，本讲稿共46页 1 1、附加附加压压强强：由于液面弯曲而由表面：由于液面弯曲而由表面张张力力产产生的生的压压强强（即弯曲的液面内外的（即弯曲的液面内外的压压强强差）以

16、差）以PS 表示。表示。2 2、附加附加压压强强产生的原因产生的原因：表面张力有拉平液面的趋势表面张力有拉平液面的趋势而产生对液体内部的压强。而产生对液体内部的压强。P0PffffP0PPsffP0PPs由于液面的由于液面的附加附加压压强强的存在，且总是指向弯曲液面凹面，的存在，且总是指向弯曲液面凹面，所以一般有：所以一般有：即：即：2022/10/2322第22页，本讲稿共46页3 3、球形液面的、球形液面的附加附加压压强强（内外压强差）（内外压强差）：设设有有一一弯曲液面呈球面，弯曲液面呈球面，在球面上截取在球面上截取一一小部分小部分S S，球，球的半径的半径为为R R，液面的表面，液面的

17、表面张张力力系数系数为为 ，则则：T=pTT 当液面平衡时，液体内当液面平衡时，液体内部必定会产生一与附加压强部必定会产生一与附加压强相平衡的压强相平衡的压强P，设单位长设单位长度分界线上的张力为度分界线上的张力为T.即：即：TsinTcosTRsinRT=2022/10/2323第23页，本讲稿共46页TsinTcosTRsinR所以参考弯曲液面向下的总张力为为：所以参考弯曲液面向下的总张力为为：液体内部产生的与之相平衡液体内部产生的与之相平衡的压强的压强P产生的向上的力产生的向上的力为：为：所以：所以：因为：因为：2022/10/2324第24页，本讲稿共46页说明：说明：1 1）球形液面

18、的附加压强与表面张力系数）球形液面的附加压强与表面张力系数成正比，成正比，；与曲率半径成反比；与曲率半径成反比2 2）球形液面的附加压强的方向指向曲率中心或）球形液面的附加压强的方向指向曲率中心或 者说凹面压强大于凸面压强。者说凹面压强大于凸面压强。2022/10/2325第25页，本讲稿共46页R2R1cba4 4、球形液膜的、球形液膜的附加附加压压强强：由于附加压强的存在使得凹面压强大于凸面压强，由于附加压强的存在使得凹面压强大于凸面压强，所以：所以：2022/10/2326第26页，本讲稿共46页rR5 5、连管肥皂泡现象：、连管肥皂泡现象：由于：由于：气体会往压强小的地方跑，所以会出现

19、小泡越来越气体会往压强小的地方跑，所以会出现小泡越来越小，大泡越来越大的现象。小，大泡越来越大的现象。这种现象对于我们了解肺泡的物理规律有非常重要这种现象对于我们了解肺泡的物理规律有非常重要的意义。的意义。2022/10/2327第27页，本讲稿共46页例：例：吹一个直径吹一个直径为为1010cm的肥皂泡，的肥皂泡，设设肥皂液的表面肥皂液的表面张张力系数力系数 =40104010-3-3 Nm-1，试试求吹此肥皂泡所作的功，以及泡内外的求吹此肥皂泡所作的功，以及泡内外的压压强强差。差。解：解：（1 1）所作的功用来增加内外两个表面的势能，即：）所作的功用来增加内外两个表面的势能，即：2022/

20、10/2328第28页，本讲稿共46页（2 2）肥皂）肥皂泡泡膜膜内外的内外的压压强强差差为：为：2022/10/2329第29页，本讲稿共46页例：例：水沸腾时，形成半径为水沸腾时，形成半径为1010-3-3m m的蒸汽泡，求此球泡内的压的蒸汽泡，求此球泡内的压强。强。解：解：在在100100时的表面张力系数为时的表面张力系数为0.0589N 0.0589N-1-1,根据根据设泡外的压强为设泡外的压强为P0，则泡内的压强为：则泡内的压强为：Pi=P0+118118Pa2022/10/2330第30页，本讲稿共46页肺泡表面所产生的附加压强为：肺泡表面所产生的附加压强为：肺泡壁能分泌一种表面活

21、性物质（磷脂类物质）可以肺泡壁能分泌一种表面活性物质（磷脂类物质）可以调节肺泡的表面张力大小：调节肺泡的表面张力大小：吸气时，表面活性物质浓度降低，张力增大，抑制肺吸气时，表面活性物质浓度降低，张力增大，抑制肺 泡不至于过大；泡不至于过大；呼气时，表面活性物质浓度增加，张力减小，抑制肺呼气时，表面活性物质浓度增加，张力减小，抑制肺 泡不至于萎缩。泡不至于萎缩。有关现象：有关现象：新生儿自新生儿自发发性呼吸困性呼吸困难难、麻醉病人的肺萎麻醉病人的肺萎缩缩、肺、肺扩张扩张 2022/10/2331第31页，本讲稿共46页5.4 毛细现象 气体栓塞润湿作用润湿作用毛细现象毛细现象气体栓塞气体栓塞20

22、22/10/2332第32页，本讲稿共46页 当当液液体体与与固固体体接接触触时时，液液体体是是否否可可以以润润湿湿固固体体取取决决于于液液体体分分子子间间的的吸吸引引力力(聚聚合合力力)和和液液体体与与固固体体之之间间分分子子间间吸吸引引力力 (附着力附着力)的大小比较，可以分为的大小比较，可以分为润湿和不润湿润湿和不润湿.聚合力附着力，润湿聚合力附着力，润湿，如：水滴在干净的玻璃上，如：水滴在干净的玻璃上聚合力附着力，不润湿聚合力附着力，不润湿，如：水银在玻璃上，如：水银在玻璃上1 1、接触角：、接触角：液体与固体接触表面间的夹角液体与固体接触表面间的夹角，液体表面切面经液体内液体表面切面

23、经液体内部与固体表面间的夹角称部与固体表面间的夹角称接触角接触角。2022/10/2333第33页，本讲稿共46页几种形式的接触角几种形式的接触角2022/10/2334第34页，本讲稿共46页不湿润不湿润完全不湿润完全不湿润不湿润不湿润完全湿润完全湿润湿润湿润湿润湿润2022/10/2335第35页，本讲稿共46页 将毛细将毛细管插入管插入液体液体中，中，润润湿管壁的液体在湿管壁的液体在细细管中上管中上升，不升，不润润湿管壁的液体在湿管壁的液体在细细管中液面下降的管中液面下降的现现象叫做象叫做毛毛细现细现象象。将两端开口、内径很小的玻璃管插入水中，管中的将两端开口、内径很小的玻璃管插入水中，

24、管中的水面会上升水面会上升；如果把玻璃管插入水如果把玻璃管插入水银银中，管中的水中，管中的水银银面面会下降。会下降。1 1、毛细现象：、毛细现象：2 2、毛细现象定义：、毛细现象定义：毛毛细细管管：两端开口、内径很小两端开口、内径很小，能能够发够发生毛生毛细现细现象的管子象的管子 2022/10/2336第36页，本讲稿共46页设设 r 是毛细管半径是毛细管半径,R 为液面半径为液面半径,为接触角为接触角.则：则：3 3、毛细现象的分析（以上升情况为例）：、毛细现象的分析（以上升情况为例）：若有润湿液体则：若有润湿液体则：P0RrhP0BCAD液体在毛细管内会形成凹面，液体在毛细管内会形成凹面

25、，液面下压强液面下压强 ，上升，上升2022/10/2337第37页，本讲稿共46页在平衡状态下：在平衡状态下：（p0 为大气压强为大气压强,h 为液面上升的高度为液面上升的高度,为液体密度。）为液体密度。）P0RrhP0BCAD即：即：2022/10/2338第38页，本讲稿共46页对应于液面下降情况也是适用的。对应于液面下降情况也是适用的。湿润湿润 ，液面上升，液面上升不湿润，不湿润，液面下降，液面下降2022/10/2339第39页，本讲稿共46页例：如图所示，在内径例：如图所示，在内径r=0.30r=0.30mm的毛细管中注水，一部分的毛细管中注水，一部分水在管的下端形成一水滴，其形状

26、可以是半径为水在管的下端形成一水滴，其形状可以是半径为R=3=3mm的球的一部分，求管中水柱的高度的球的一部分，求管中水柱的高度h h。(水的表面张力系数水的表面张力系数 )A AB BH H 解：解：A点受到的向上压强点受到的向上压强PA等于大气等于大气压强压强P0与附加压强与附加压强2 2/R 两者之和，即：两者之和，即：B点压强点压强PB等于大气压强等于大气压强P0与附加压与附加压强强2 /r的差，即的差，即 2022/10/2340第40页，本讲稿共46页 根据流体静力学的基本原理，根据流体静力学的基本原理，A点受到的向下压强点受到的向下压强为，由平衡条件可知，因而为，由平衡条件可知，

27、因而:2022/10/2341第41页，本讲稿共46页 气气体体栓栓塞塞是是一一种种普普遍遍的的现现象象，如如植植物物水水分分的的吸吸收收和和运输，血液在血管中流动时都会出现。运输，血液在血管中流动时都会出现。当当润润湿液体在湿液体在细细管中流管中流动时动时，如果管中有气泡，液，如果管中有气泡，液体的流体的流动动将受到阻碍，气泡多将受到阻碍，气泡多时时可可发发生阻塞，使得液体生阻塞，使得液体不能流不能流动动，这这种种现现象称象称为为气体栓塞气体栓塞。气体栓塞是气体和液体之间的曲面产生的附加压强气体栓塞是气体和液体之间的曲面产生的附加压强所造成的。所造成的。细管中有一个气泡，两端的附加压强分别为

28、细管中有一个气泡，两端的附加压强分别为P左左和和P右右：P左左ppP右右2022/10/2342第42页，本讲稿共46页P左左ppP右右P左左ppP右右液柱不动液柱不动、细细管中管中的的气泡，在左右两端气泡，在左右两端压压强强相等相等时时，气泡两端，气泡两端的曲率半径相等，两端的附加的曲率半径相等，两端的附加压压强强大小相等方向相反，大小相等方向相反，液柱不流液柱不流动动。2022/10/2343第43页，本讲稿共46页P左左P+PpP右右液柱不动液柱不动、把左端液体的压强增加一个不大的值、把左端液体的压强增加一个不大的值P P，这时气泡左边的曲率半径变大，气泡右边这时气泡左边的曲率半径变大，

29、气泡右边 的曲率半径变小，若：的曲率半径变小，若：液柱不会向右移液柱不会向右移动动2022/10/2344第44页，本讲稿共46页P左左P+pP右右液柱动液柱动3 3、只有当只有当两边的压强差大于一临界值时两边的压强差大于一临界值时 ，气泡才，气泡才 能移能移动动，决定于液体的性质，管壁光滑度与半径。决定于液体的性质，管壁光滑度与半径。若有若有n 个气泡在细管中时，两端的压强差必须大于个气泡在细管中时，两端的压强差必须大于n 液柱向右移液柱向右移动动2022/10/2345第45页，本讲稿共46页日常生活中需要注意防止气体栓塞现象的情况：日常生活中需要注意防止气体栓塞现象的情况：潜水员从深水中出来时，病人或工作人员从高压氧潜水员从深水中出来时，病人或工作人员从高压氧仓出来时（高压时溶于血液中的过量气体，在正常情仓出来时（高压时溶于血液中的过量气体，在正常情况下会迅速释放出来，若微血管中析出的气泡过多，况下会迅速释放出来，若微血管中析出的气泡过多，就会出现气体栓塞现象）；就会出现气体栓塞现象）；静脉注射和输液时防止输液管气体栓塞（气泡输入静脉注射和输液时防止输液管气体栓塞（气泡输入微血管中容易形成气体栓塞）；微血管中容易形成气体栓塞）；2022/10/2346第46页，本讲稿共46页