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1、理想气体分子动理论理想气体分子动理论第1页，此课件共28页哦4.4 液体的表面现象液体的表面现象一、表面张力一、表面张力液面表面层液面内部在液体中，分子间表现为引力作用，每个分子处于在液体中，分子间表现为引力作用，每个分子处于其他分子的引力作用之下。液体分子间的作用比气其他分子的引力作用之下。液体分子间的作用比气体要强得多。体要强得多。在液体中，确定一个分子引力作用半径在液体中，确定一个分子引力作用半径l的作的作用球用球。分子分子 处于处于液体内部液体内部,受到的力必定球对称，合力等于零；受到的力必定球对称，合力等于零；处于处于液体表面层的分子液体表面层的分子情情况不同，合力不况不同，合力不等
2、于零，等于零，合力的方向指向合力的方向指向液体内部，垂直液面。液体内部，垂直液面。第2页，此课件共28页哦处于处于液体内部的分子由于液体内部的分子由于受平衡力作用受平衡力作用,能量较低；能量较低；处于处于液体表面层的分子平衡被破坏液体表面层的分子平衡被破坏，具有，具有较高的较高的势能势能。液体的表面能液体的表面能=表面层分子较液体内部分子所高出的势能表面层分子较液体内部分子所高出的势能任何一个系统，处于稳定状态时，系统能量最低。液体系统，处于稳定状态时，任何一个系统，处于稳定状态时，系统能量最低。液体系统，处于稳定状态时，具有最低具有最低的表面能。亦应包含最少的分子数，也要求具有最小的表面积。
3、故的表面能。亦应包含最少的分子数，也要求具有最小的表面积。故液体表面总具有液体表面总具有收缩收缩的趋势，液体表面张力就是收缩的趋势的表现。的趋势，液体表面张力就是收缩的趋势的表现。第3页，此课件共28页哦我们设想在液体表面上任画一条直线，将液面分成两部分，那么这两部分之间必定存在相互拉力作用，这种相互作用的拉力就是表面张力。表面张力的大小表面张力的大小 f必定与这条设想的分界线的长度lF=L,式中比例系数 称为表面张力系数。在国际单位制中，表面张力系数的单位是nm-1牛/米。用表面能来定义表面张力系数用表面能来定义表面张力系数:在图中，abcd是一个用金属丝制成的框架，ab边可以自由滑动。如果
4、将框架在液体中浸一下,第4页，此课件共28页哦框架上将形成一个液膜。由于液体表面有收缩的趋势，ab边将被液膜拉向cd边。为了保持液膜平衡，必须在ab边上施加一个与液膜相切的力f。如果使液膜增大，力f必须作功，假如ab边移动dx，到达ab,则力f 所作的功为A A=F d dx 力f 的大小可以表示为框架上所形成的液膜有前、后两个液面，A A=2 Ld dx=ddS 第5页，此课件共28页哦由于表面积增加了 S液体的表面能相应地增大A,而表面能的增加是由于外力F作功的结果。所以,表面能的增加量表面能的增加量 e应等于外力所作的功应等于外力所作的功A A，即 e=A A=S,或者或者可以得到表面张
5、力系数的另一个定义，即表面张力系数等于增加单位液体表面积时外力所表面张力系数等于增加单位液体表面积时外力所作的功，或等于增加单位液体表面积时液体表面能的增量。作的功，或等于增加单位液体表面积时液体表面能的增量。第6页，此课件共28页哦实验测量结果表明，各种液体表面张力系数的大小实验测量结果表明，各种液体表面张力系数的大小有很大差异。有很大差异。对于同一种液体，表面张力系数随温度对于同一种液体，表面张力系数随温度 的升高而减小，直至温度升高到该物的升高而减小，直至温度升高到该物质的临界温度时，液体与气体的差别消失，表面张力系数接近零。质的临界温度时，液体与气体的差别消失，表面张力系数接近零。第7
6、页，此课件共28页哦一、一、一、一、溶液表面的吸附现象溶液表面的吸附现象溶液表面的吸附现象溶液表面的吸附现象1.表面张力增大表面张力增大负吸附负吸附 如果在如果在表面层中溶质分子比溶剂分子所受到的指向表面层中溶质分子比溶剂分子所受到的指向溶液内部的引力还要大些溶液内部的引力还要大些,则这种溶质的溶入会则这种溶质的溶入会使溶液的表面张力增高。使溶液的表面张力增高。由于系统自发地降低表面自由能，故溶质趋向于较多由于系统自发地降低表面自由能，故溶质趋向于较多地进入溶液内部而较少地留在表面层中，造成地进入溶液内部而较少地留在表面层中，造成溶质溶质在表面层中的浓度小于溶液内部的现象，即负吸在表面层中的浓
7、度小于溶液内部的现象，即负吸附附。2.表面张力减小表面张力减小正吸附正吸附第8页，此课件共28页哦气固吸附吸附为何会发生气固吸附吸附为何会发生?固体不具有流动性固体不具有流动性,不能像液体那样缩小表面积来降低表面能不能像液体那样缩小表面积来降低表面能,只能靠吸附只能靠吸附气体分子覆盖其表面来降低表面能气体分子覆盖其表面来降低表面能,使系统趋于稳定。使系统趋于稳定。水表面油膜即常见得表面吸附现象水表面油膜即常见得表面吸附现象第9页，此课件共28页哦一、气固吸附的一般常识一、气固吸附的一般常识一、气固吸附的一般常识一、气固吸附的一般常识吸附质：（被吸附的）气体；吸附质：（被吸附的）气体；吸附剂：（
8、吸附气体的）固体吸附剂：（吸附气体的）固体1.吸附类型吸附类型 物理吸附物理吸附 化学吸附化学吸附吸附力吸附力 范德华力范德华力 化学键力化学键力吸附分子层吸附分子层 多分子层多分子层 单分子层单分子层吸附选择性吸附选择性无，易液化者易吸附无，易液化者易吸附 有选择性有选择性吸附热吸附热-(2040)kJ/mol-(40400)kJ/mol吸附速度吸附速度快，易脱附，易达平衡快，易脱附，易达平衡较慢，不易达平衡较慢，不易达平衡第10页，此课件共28页哦 和和和和c c的关系的关系的关系的关系c 1.负负吸附吸附表面张力表面张力增大增大2.正正吸附吸附表面张力表面张力减小减小，如矿泉水，井水，无
9、机盐溶液等如矿泉水，井水，无机盐溶液等溶质为可溶性有机化合物：醇、醛、酸、酯溶质为可溶性有机化合物：醇、醛、酸、酯溶质为表面活性剂：硬脂酸钠、长碳氢琏有机酸溶质为表面活性剂：硬脂酸钠、长碳氢琏有机酸盐、烷基磺酸盐盐、烷基磺酸盐(肥皂和洗涤剂肥皂和洗涤剂)第11页，此课件共28页哦二、弯曲液面下的附加压强二、弯曲液面下的附加压强 由于液体表面张力的存在，弯曲液面下液体的压强不同于平坦液面下液体的压强，这两者压强之差就称为附加压强。在凸状弯曲液面的情况下，附加压强为正值，凸状弯曲液面下液体的压强大于平坦液面下液体的压强；在凹状弯曲液面的情况下，附加压强为负值，凹状弯曲液面下液体的压强小于平坦液面下
10、液体的压强。第12页，此课件共28页哦一、弯曲液面的附加压力一、弯曲液面的附加压力一、弯曲液面的附加压力一、弯曲液面的附加压力平面平面 凸液面凸液面(convex)凹液面凹液面(concave)p=0 p指向球心指向球心 p指向球心指向球心 p=?第13页，此课件共28页哦可求得凸状球形液面下液体所受的附加压强以液体球赤道为研究对象液体表面张力为：其覆盖的面积为：第14页，此课件共28页哦例：打开活塞后，两肥皂泡将如何变化？例：打开活塞后，两肥皂泡将如何变化？例：打开活塞后，两肥皂泡将如何变化？例：打开活塞后，两肥皂泡将如何变化？达平衡时怎样？达平衡时怎样？达平衡时怎样？达平衡时怎样？第15页
11、，此课件共28页哦第16页，此课件共28页哦由上式可见，凸状球形液面下液体的附加压强与液体的表面张力系数s成正比，与液面的曲率半径r成反比。对于凹状球形液面，用同样的方法可以求得其附加压强，为式中负号表示凹状球形液面下液体的压强比平坦液面下液体的压强式中负号表示凹状球形液面下液体的压强比平坦液面下液体的压强小。小。第17页，此课件共28页哦4.4.5毛细现象毛细现象盛在容器内的液体，其靠近器壁的液面往往发生弯曲，如图8-34所示。r=R/cos rR 第18页，此课件共28页哦在液面与固体的接触处，分别作液体表面和固体表面的切面切面，这两个切面在液体内部的夹角在液体内部的夹角，称为液体与固体的
12、接触角接触角。当接触角为锐角锐角时，表示液体润湿润湿固体，如图8-34(a)所示。若接触角等于零，就称液体完全润湿固体。当接触角为钝角钝角时，表示液体不润湿不润湿固体，如图8-34(b)所示。若接触角等于p，就称液体完全不润湿固体。原因：液固作用的原因：液固作用的附着力附着力与与液体内部的液体内部的内聚力内聚力的大小关系的大小关系表面积表面积第19页，此课件共28页哦润湿和不润湿现象是固润湿和不润湿现象是固-液之间和液液之间和液-液之间分子力不同所致。液之间分子力不同所致。在固在固-液界面处、厚度等于分子引力作用半径的液体层称为液界面处、厚度等于分子引力作用半径的液体层称为附着层附着层，如，如
13、8-34中虚线与固中虚线与固-液界液界面之间的部分。在附着层中的液体分子既受到液体分子的引力面之间的部分。在附着层中的液体分子既受到液体分子的引力(内聚力内聚力)作用，也受到固体分子的作用，也受到固体分子的引力引力(附着力附着力)作用。作用。第20页，此课件共28页哦当附着力大于内聚力时，附着层中的液体分子所受的合力垂直于固当附着力大于内聚力时，附着层中的液体分子所受的合力垂直于固-液界面并指向固体，使附着层中的液体液界面并指向固体，使附着层中的液体分子处于比液体内部分子更大的引力作用下分子处于比液体内部分子更大的引力作用下,因而使其能量更低。附着层中的液体分子越多，系统的能量就越因而使其能量
14、更低。附着层中的液体分子越多，系统的能量就越低，状态就越稳定，所以附着层具有伸展的趋势。这就导致了液体与固体接触处的液面沿固体表面延展，即向上弯低，状态就越稳定，所以附着层具有伸展的趋势。这就导致了液体与固体接触处的液面沿固体表面延展，即向上弯曲，如图曲，如图8-34(a)所示，这就是液体润湿固体的情形。纯水与洁净的玻璃相接触，水银与洁净的锌板、铜板或铁板相所示，这就是液体润湿固体的情形。纯水与洁净的玻璃相接触，水银与洁净的锌板、铜板或铁板相接触，都属于这种情形。接触，都属于这种情形。当附着力小于内聚力时，附着层中的液体分子所受的合力垂直于固当附着力小于内聚力时，附着层中的液体分子所受的合力垂
15、直于固-液界面并指向液体，与液体内部的液界面并指向液体，与液体内部的分子相比，附着层中的分子具有较高的能量，使附着层具有收缩的趋势。因而就导致了液体与固体的接触处的分子相比，附着层中的分子具有较高的能量，使附着层具有收缩的趋势。因而就导致了液体与固体的接触处的液面沿固体表面收缩，即向下弯曲，如图液面沿固体表面收缩，即向下弯曲，如图8-34(b)所示，这就是液体不润湿固体的情形。纯水与石蜡相接所示，这就是液体不润湿固体的情形。纯水与石蜡相接触，水银与玻璃相接触，都属于这种情形。触，水银与玻璃相接触，都属于这种情形。第21页，此课件共28页哦四、毛细现象四、毛细现象当把管径很细的管子插入液体时，管
16、子内外的液面会出现高度差。如果液体润湿管壁，管内液面较管外高；如果液当把管径很细的管子插入液体时，管子内外的液面会出现高度差。如果液体润湿管壁，管内液面较管外高；如果液体不润湿管壁，管内液面较管外低。这种现象称为毛细现象。管径很小的管子称为毛细管。如果把玻璃毛细管插入体不润湿管壁，管内液面较管外低。这种现象称为毛细现象。管径很小的管子称为毛细管。如果把玻璃毛细管插入水中，管内的液面会比管外的高；如把同样的毛细管插入水银中，管内的液面会比管外的低。在我们周围的环境中，水中，管内的液面会比管外的高；如把同样的毛细管插入水银中，管内的液面会比管外的低。在我们周围的环境中，几乎到处都能见到毛细管，如钢
17、笔尖的狭缝，毛巾棉纱纤维间隙，吸水纸纤维间隙，土壤的团粒结构以及植物根、几乎到处都能见到毛细管，如钢笔尖的狭缝，毛巾棉纱纤维间隙，吸水纸纤维间隙，土壤的团粒结构以及植物根、茎、叶中的脉络等。茎、叶中的脉络等。第22页，此课件共28页哦.毛细现象是由表面张力和润湿毛细现象是由表面张力和润湿(或不润湿或不润湿)现象共同引起的。现将现象共同引起的。现将内径为内径为r的毛细管插入密度为的毛细管插入密度为r r的液体中，如果液体能润湿管壁，的液体中，如果液体能润湿管壁，管内液面呈凹状，接触角管内液面呈凹状，接触角 为锐角，如图为锐角，如图8-35所示。由于凹状液面下存在负的附加压强所示。由于凹状液面下存
18、在负的附加压强 ps，b点的压强小于管点的压强小于管外同深度平液面下外同深度平液面下c点的压强，所以图点的压强，所以图8-35(a)的情形是不能维持的，管外液体的压力使管内液柱上升到某的情形是不能维持的，管外液体的压力使管内液柱上升到某一高度一高度h,致使致使b点和点和c点的压强相等而达到平衡，这就是图点的压强相等而达到平衡，这就是图8-35(b)所示的情形。由图可见所示的情形。由图可见第23页，此课件共28页哦2.毛细现象毛细现象毛细管毛细管:管径很细的管子管径很细的管子液体在毛细管中上升液体在毛细管中上升(或下降或下降)高度高度R为曲率半径为曲率半径r为毛细管半径为毛细管半径第24页，此课
19、件共28页哦第25页，此课件共28页哦应用：应用：应用：应用：1)锄地保墒锄地保墒切断毛细管，切断毛细管，使水分不能沿毛细管上升到地表而蒸发；使水分不能沿毛细管上升到地表而蒸发；毛毛细细管管凝凝聚聚,水水在在毛毛细细管管中中呈呈凹凹液液面面，其其饱饱和和蒸蒸气气压压小小于于水水平平液液面面的的饱饱和和蒸气压，水蒸气易在切断的毛细管中凝结成水。蒸气压，水蒸气易在切断的毛细管中凝结成水。pp p第26页，此课件共28页哦3.气体栓气体栓塞现象现象 当液体在毛细管中流动时，如果管中出现了气泡，液体的流动就要受到阻碍，气泡产生当液体在毛细管中流动时，如果管中出现了气泡，液体的流动就要受到阻碍，气泡产生多了，就能堵住毛细管，使液体不能流动，这种现象称为多了，就能堵住毛细管，使液体不能流动，这种现象称为气体栓塞现象气体栓塞现象第27页，此课件共28页哦第28页，此课件共28页哦