3液体表面现象

1医学物理学(PhysicsforMedicalSciences)本科课程重庆医科大学医学物理学教研室2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,为10-10m，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。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。概述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。3第三章液体的表面现象（superficiesofliquid）对象：静止液体的表面层学科：流体力学⑴静力学：表面张力…⑵动力学：流体流动时的力学规律。应用：医学材料的表面活性和吸附呼吸系统的肺泡功能、血液流动和人体养分输送时的气体栓塞、…4第三章液体表面现象一、目的要求掌握液体表面张力的基本规律，了解表面张力的医学应用。二、教学内容:(3学时)液体的表面张力与表面能,弯曲液面的附加压强,表面吸附和表面活性物质,肺泡的表面张力,毛细现象,气体栓塞。5组成物体的分子之间存在着相互作用力，这些力既有斥力也有引力。分子间的作用力通称为分子力(molecularforce)。液体分子间引力作用范围远大于斥力范围(斥力只有在分子非常靠近时才起作用)。如图，令r(10-9m)表示分子引力作用范围，以选定的某分子为中心，r为半径，作一球体，称为分子作用球.§3-1液体的表面张力一、液体的表面层(surfacelayer)61.现象(P45)：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；2.表面张力(1)表面层：在液体与气体交界面，厚度等于分子有效作用半径r的一层液体。(2)表面张力：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。二、液体的表面张力(surfacetension)7当分子A的分子作用球完全处于液体内部时，由于分子作用球范围内各分子对它的引力恰好互相抵消，所以合力为零。分子B的分子作用球一半在液面之上。由于气体密度比液体密度小得多，因此可忽略液面上气体分子对分子B的引力，则它只受到液体内部周围分子的引力，其合力F指向液体内部。由于分子C的分子作用球在液面以上的部分较分子B小，所以它所受到的指向液体内部的合力F也小。液体表面层中每个分子都受到合力F的作用，而且越靠近液体表面，其作用力越大。所以都有从表面层尽量挤入液体内部的趋势，使表面层具有收缩的趋势。宏观上：液体表面层存在着表面张力。3.表面张力产生的原因①从分子运动论观点说明8若想把一个分子从液体内部移到表面层，就必须克服合力(引力)F而作功，从而增加了这个分子的势能，所以，处于表面层的分子较液体内部的分子有较大的势能。表面层为高势能区。液体表面层中每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的合力（引力）F的作用。rrABFCF表面层中各个分子势能的总和，称为该液体的表面能(surfaceenergy),用Ep表示。②从能量观点来分析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。表面张力是宏观力，与液面相切;F是微观力，与液面垂直。94.表面张力的定量描述液体表面处处存在着表面张力，如图，设想在液面上作一长为l的线段，将液面分成两部分。MNⅠⅡf1f2则表面张力的存在表现为：线段两边的液面都以一定的拉力f作用于对方，这个力的方向与液体表面相切，且垂直于分界线段l。表面张力的大小f与分界线段的长度l成正比，即：lflf/:或单液面lflf2/2:或双液面105.液体表面张力系数lflf/或单位：N·m-1,表面张力可用各种实验方法测定。表面张力系数定义：它等于单位长度分界线上表面张力的大小。式中，比例系数叫做液体的表面张力系数。其量值大小与液体性质、温度及纯度有关。同一种液体，温度越高，值越小。当纯净液体内含有杂质时，值也会发生变化。P46表3-1给出一些常见液体的表面张力系数。11从功能关系来理解表面张力系数的物理意义。表面张力系数的大小可用下面的方法进行测量。如图，取一铁丝框ABCD，且BC边可自由滑动，使在框上形成液膜。由于液膜有收缩表面积的趋势，所以长为L的BC边受到一个向左的、大小为2αL（因为薄膜有两个表面，所以乘2）的表面张力，所以将向左滑动。欲使BC边保持不动，必须加一个外力F来使它平衡，其方向与表面张力相反、大小相等，则为：LFLF22或ABB'CDC'LFf只要测量出F及L，即可求得α的数值。12LABCDB'C'Ff∆x设想BC边在力F的作用下沿F方向移动了一段距离∆x，则在此过程中，外力F所作的功为：SxLxFW2式中∆S=2L·∆x，是BC边移动过程中所增加的液面面积。按照能量守恒及转换定律，在恒温情况下，外力克服分子间引力做功，表面能增加，外力F所作的功应等于液体表面能的增量。若用△Ep表示表面能增量，则：表面张力系数α的另一定义：表面张力系数α在数值上等于增加液体单位表面积时的表面能的增量，即：SEpα也可用J·m-2作单位。SWEp13已知：例：油和水形成的界面的表面张力系数为，现将1g的油在水内分裂成半径为的小油滴，问需做多少功？（设油的密度为900kg/m3）mN/108.12m6100.1,/900,/108.132mkgmNkgmmr36100.1,100.1求：∆W=？解：大油滴散布成小油滴时，需作功∆E=∆W=α·∆S，其中，)(422RnrSn为小油滴个数，r为小油滴半径，R为大油滴半径，因油的质量m不变，则333434rnRmrRn3131232312324)1(4nrnnrnS334334rmnrnm得又由JrmSW2100.63:则14与液体的性质有关：不同液体，α值不同；密度小、易挥发的液体α值较小。如酒精的α值很小，金属熔化后的α值很大。与相邻物质性质有关：同一液体与不同物质交界，α值不同。与温度有关：温度升高，α值减小，两者近似呈线性关系。(P46表3-1)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α值增加；有的使其α值减小。使α值减小的物质称为表面活性物质。影响表面张力系数的因素15三、表面活性物质表面活性物质：能够减小液体表面张力系数（即降低表面能）的物质。水的表面活性物质有胆盐、肥皂、蛋黄素等。表面活性物质减小液体表面张力系数和降低表面能的原因。当表面活性物质溶入液体之后，活性物质的分子与液体分子之间的引力小于液体本身分子间的引力，因此，位于表面层中液体分子所受到的趋向液体内部的力，大于表面层中活性物质分子所受到的引力，结果液体分子大量地离开表面层而进入液体内部，使表面层中活性物质的浓度增大，表面张力系数减小。表面活性物质能够使液膜稳定，因为当某处液膜由于液体的流动而变薄时，其中的表面活性物质减小，表面张力随之增加，从而使这里的液膜变厚而不至于破裂。161.液体的表面吸附现象（surfaceadsorption）表面吸附：一种液体在另一种液体表面上伸展为薄膜的现象。表面吸附现象产生的原因。ⅠⅡf1f2f1,2如右图所示，液滴Ⅰ浮在液体Ⅱ上，以表示第一种液体的表面张力系数，而以表示第二种液体的表面张力系数。在这两种液体相接处，也有表面张力作用，这时表面张力与在原来两种液体的自由表面上所发生的表面张力不同，可用表示在这两种液体相接处的表面张力系数。122,1液滴Ⅰ圆周上的每一点，都有三个界面会合。因此在液滴的每单位长的圆周上，作用着三个表面张力（如图示），分别与对应的表面相切。力f2有使液滴伸展的趋势，力f1和f1,2有使液滴紧缩的趋势。显然，当f2f1+f1,2时，液滴Ⅰ将伸展为薄膜。即液体Ⅱ对液体Ⅰ的表面吸附。底层液体的表面上有了吸附层后，表面张力系数要降低。这与表面活性物质对液体表面性质的影响相似。水面上的油膜是日常生活中很容易观察到的表面吸附现象。四、表面吸附现象17定义气体或液体分子附着在固体表面而形成一层薄膜，使固体表面势能减小的现象称为固体对表面活性物质的吸附作用。实例(P48)粉末与多孔物质（医学上常用活性碳来吸附胃肠道中的细菌色素、毒素；水的净化等）2.固体的表面吸附作用18一、附加压强（additionalpressure）§3-2弯曲液面的附加压强在日常工作和生活中，所观察到的液面并不都是平面，如肥皂泡、液滴、液体与固体接触处附近，液面都是弯曲的，由于液体表面层有表面张力存在，使液面内外有一压强差。PABP0ff如上图，静止液体的任一部分，都将在三种力的作用下保持平衡，即：液面外部的气体压强P0所产生的压力；周围液面通过边界线对它的表面张力f；液面下内部液体的压强P所产生的压力。下面考虑三种不同形状的液面情况。考虑液面中一小块面积AB。沿AB周界，在AB面以外的液面对AB面都有表面张力作用。力的方向与周界垂直，且沿周界力与液面相切。19ABP0PABP0PPsffffP0PPsABff如果液面是水平的，则液面AB所受到的表面张力均沿此平面而互相抵消，这时液面内外的压强相等，如图（a）所示。（a）P=P0（b）P=P0+Ps如果液面为一凸面，则表面张力的合力指向液体内部，AB面紧压液体使它受到一额外的压强，称为附加压强，用Ps表示。所以平衡时液面的内部压强必大于外部压强，如图（b）所示。（c）P=P0-Ps如果液面为一凹面，则表面张力的合力指向液体外部，AB面好象要被拉出液面，所以平衡时液面的内部压强必小于外部压强，如图（c）所示。即由于液面的弯曲，在凹形一方的压强总比凸形一方的压强大。附加压强：弯曲液面内部压强与外部压强之差。PS=P内-P外20二、附加压强的计算1．任意弯曲液面)11(21RRSfppps外内——拉普拉斯公式Note:(1)R1和R2为相互垂直的正截口的曲率半径；(2)符号规定：(a)凸液面时，R1和R2取＋，pS0；(b)凹液面时，R1和R2取－，pS021上式说明，弯曲液面的附加压强与液体的表面张力系数α成正比，与弯曲液面的曲率半径R成反比。由此可知，表面张力系数α越大，球面半径R越小，附加压强ps就越大。附加压强的方向总是指向曲面的曲率中心。3．球形单液面（R1＝R2＝R）RRRppps2)11(21外内2．柱状液面（R1＝∞,R2＝R）RRRppps)11(21外内224.球形液膜（如肥皂泡），液膜有内外两个表面，如图。ABCR1R2由于外液面是一凸面（凸向空气），内液面是凹面（凹向空气），则有：,21RppAB22RppBC液膜通常很薄，可以认为：RRR21则液泡内外压强差（即泡内的附加压强）为：RppAC4AB球面附加压强实验23三、肺泡的附加压强与表面活性物质（additionalpressureofalveolus）肺主要由大小不等的无数肺泡组成，肺泡是气体交换的场所。有些肺泡是相通的，由前面球面附加压强实验知，气泡愈小则附加压强愈大。肺泡内壁被一层粘液所覆盖，所以会使肺泡在充气时附加压强愈来愈小，排气时则相反，直至完全萎缩，这将使肺泡极不稳定。肺泡内壁分泌一种表面活性物质（磷脂类物质），它的量是一定的.在母体内胎儿的肺泡为粘液所覆盖，附加压强使肺泡完全闭合。临产时，肺泡壁分泌表面活性物质，以降低粘液的表面张力系数。但产后的新生儿仍要以大声啼哭的“剧烈”动作去克服肺泡的表面张力，以开始生命的第一次呼吸。吸气时R（内外压强差）不利于下一步呼气；表面活性物质浓度（内外压强差），利于下一步呼气。呼气时，R（内外压强差）不利于下一步吸气；表面活性