54_液体的表面现象

1第四节液体的表面现象•一、表面能和表面张力•二、弯曲液面的附加压强•三、毛细现象•四、气体栓塞•五、表面活性物质在肺呼吸中的作用2•表面层：液体和气体接触的薄层。•附着层：液体和固体接触的薄层。•液体的表面有收缩成面积最小的趋势。•液体的表面张力：液体表面就像张紧的薄膜，处处存在着张力，是分子引力作用的结果。一、表面能和表面张力3以分子为球心，引力有效距离r为半径做一个球，称为分子作用球。4•将分子从液体内部移到表面层要克服引力做功，致使的表面层分子势能增加。•表面能：表面层所有分子势能总和。表面能与表面积成正比。稳定状态能量最低，所以液体系统的表面积应尽可能的小，所以有收缩的趋势，表面张力就是收缩趋势的表现。1.表面能5表面张力：液体表面收缩的力。表面张力系数2FLl2.表面张力62WFxlxS外力做的功为：表面能：增加液体单位表面积所做的功。液膜的面积增大，使得表面能相应增大ΔE：EWEWSSS或＝7例：在等温条件下将一半径为r0=0.5cm的大水滴分裂成若干个半径为r=0.1cm的小水滴，求所须做的功。（水的表面张力系数是7×10-2N/m）解：设可以分成n个小水滴，则有：3304433rnr33030.005()1250.001rnrn个水滴的总表面积：2421254510Srm大水滴的表面积：2420410Srm外力所须做的功：50()8.810wSSSJ8第四节液体的表面现象•一、表面能和表面张力•二、弯曲液面的附加压强•三、毛细现象•四、气体栓塞•五、表面活性物质在肺呼吸中的作用91.润湿和不润湿接触角大于900为不润湿，附着力越小，接触角越大，＝1800时为完全不润湿。接触角小于900为润湿，附着力越大，接触角越小，＝00时为完全浸润。内聚力＜附着力液体与固体的界面有尽量扩大的趋势，固体上的液滴将展开成薄膜。固体被润湿内聚力＞附着力液体与固体的界面有尽量缩小的趋势，固体上的液滴呈球形。固体不被润湿102、弯曲液面的附加压强P=P0P=P0+PsP+Ps=P0附加压强：因弯曲液面表面张力而产生的压强Ps称为附加压强，其值等于弯曲液面的内外压强差,方向指向凹面。11弯曲液面上取一小面积ΔS，液面半径为R，其周界是半径为r的圆，作用在一小段周界ΔL上的张力为ΔffL12sincosffff由于对称性水平方向的合力为：Fx＝012竖直方向各处的分力都相同，表面张力的总和为：sinsin2sinFfLrsinRr222rrFrRR22222FrprRrR表明：弯曲液面的附加压强与张力系数成正比，与球面半径成反比，方向指向球心。13由图可知球形液面的压强：PCPBPA2122,BACBPPPPRR即：-=-=12224CACBBAPPPPPPPRRR12RRR144PR15第四节液体的表面现象•一、表面能和表面张力•二、弯曲液面的附加压强•三、毛细现象•四、气体栓塞•五、表面活性物质在肺呼吸中的作用16毛细现象：将内径很小的毛细管插入液体中，液体润湿管壁时，管内液面上升，不润湿时则下降。液面上升的情况：凹面下的压强低于液面外的大气压强。设接触面为圆弧三、毛细现象CBOpppBAppgh2OAAppppR17此压强差使管内液面上升ghrcos2cos2rghcosRr由图可得:rcosRp22压强差上式说明：毛细管中液面上升的高度与表面张力系数成正比，而与毛细管的内径成反比。所以管越细，液面上升越高。18对于不浸润的管壁，毛细管内的液面是凸的，液面内的压强高于液面外的压强，管内的液面将下降至管外的液面之下，其高度差也可用上式计算，此时的接触角，故所得的高度为负值，表示管内液面下降。h2毛细现象对于植物的吸收和水分的运输，动物血液在毛细血管中的流通和气体栓赛现象都起着很重要的作用。生活中的灯芯吸油，棉布纤维吸水染色等。19例：一U形玻璃管，两管内直径分别为0.5mm和1.0mm。如图，将它倒插入盛水容器中，管中气压随其体积的减小而增大。当插到一直管内外水面同样高时，求另一支管内水柱的高度。（水的＝75×10-3N/m）解：由于水和玻璃完全润湿，接触角θ＝0细管半径为r1,水面下的压强112PPr10PghP又012PghPr粗管半径为r2,水面下的压强：222PPr022PPr1222ghrr203323122112751011()()103.110109.80.250.5hmgrr21第四节液体的表面现象•一、表面能和表面张力•二、弯曲液面的附加压强•三、毛细现象•四、气体栓塞•五、表面活性物质在肺呼吸中的作用22四、气体栓塞液体在细管中流动时，如果管中有气泡，液体的流动将受阻，气泡多时可发生阻塞，这种现象称为气体栓塞。23图2中，在液体的左端增加压强泡内气体压强在数值上等于即气泡两端曲率改变产生的压强差与两端液体的压强差大小相等方向相反，液柱不会向右移动，只有当超过某一临界值时，气泡才能移到。PPPPPP左右＋＋＝＋PPP右左＝－P图1中，时气泡两侧的压强相等，两端液面形成同样的凹弯月面，产生的附加压强大小相等，方向相反，液柱不流动。24若管中有n个气泡，只有当时，液体才能带着气泡流动，Pn25第四节液体的表面现象•一、表面能和表面张力•二、弯曲液面的附加压强•三、毛细现象•四、气体栓塞•五、表面活性物质在肺呼吸中的作用261.表面活性物质凡是可以降低液体表面张力系数的物质称为液体的表面活性物质。如：对水来说，肥皂、胆盐、蛋黄素、磷脂、樟脑及某些有机物等。凡是可以提高液体表面张力系数的物质称为液体的表面非活性物质。如：对水来说，糖类、氯化钠和某些无机盐等。五、表面活性物质在肺呼吸中的作用27液体（溶剂）中加入表面活性物质后，由于溶剂分子之间的引力大于溶质与溶剂分子之间的引力，位于表面层的溶剂分子大量进入液体内部，将有利于降低表面能，表面层中溶质的浓度增大，将影响液体表面的性质，使表面张力系数降低。反之，在液体中加入表面非活性物质，大量溶剂分子进入液体表面，使表面能升高表面层中溶质浓度降低，表面张力系数增大。原因：不同分子引力作用不同。282.肺泡的表面张力人体的肺大约3亿～4亿个大小不同的肺泡组成，其平均半径为0.05mm，肺泡内壁附着一层粘性组织液，与肺泡内气体形成液——气分界面，组织液的表面张力系数约为0.05N/m，则肺泡内部组织液产生的附加压强为：3220.052000()0.0510sPPar即：泡内壁泡外胸腔内气压高2000Pa29呼吸过程中气体能进入肺泡的条件必须使肺泡内与外界的气体有一定的压差。吸气时，肺泡内压必须比大气压低400Pa，因此，空气要进入肺泡，就要求胸腔内压比大气压低2400Pa。实际上胸内压一般仅比大气压低约670Pa，即使增加胸腔的容积，胸内压也比大气压低约1200～1330Pa，这样肺泡内的压强人高于大气压，不但不能正常吸气，肺泡还会萎缩。30健康人体内肺泡内壁有一种特殊细胞能分泌表面活性物质，从而时肺泡内壁液面的张力系数降低为原来的1/7～1/15，，这样肺泡就可以在上述负压下正常呼吸。某些新生儿的肺泡，由于缺乏表面活性物质而引起自发性的呼吸困难，导致死亡。缺乏表面活性物质的肺泡会因为过大的张力而萎缩，只有用很大的压强才能时它们重新张开。表面活性物质还有一个重要的作用：维持大小不同的肺泡工作的稳定性。31肺泡大小不等又大多是两通的，如果内壁的表面张力系数不变，小肺泡内的压强会大于大肺泡的压强，气体将从小肺泡流向大肺泡，致使小肺泡萎缩，大肺泡膨胀。实际上由于表面活性物质可以调节平衡，活性物质的量不变，肺泡扩张时浓度降低，张力系数和附加压强增大，对肺泡的扩大气抑制作用，不致过分扩大。32第五章分子动理论•5.1理想气体分子动理论•5.2气体分子速率分布律和能量分布律•5.3输运过程•5.4液体的表面现象