3、液体的表面性质

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。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0rr：斥力Rrr0：引力有效直径：mr10010mR910有效作用半径：orfro0r合力斥力引力Ror根据分子之间作用力对这种微观结构的进一步解释表面层Rf6、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RO2、分子作用球：半径：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10-9—10-8m，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（surfacetension）液体表面有收缩到最小的趋势①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。表面张力是宏观力，与液面相切;f⊥是微观力，与液面垂直。②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′。α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。设线段长为l,则：f=αl。ff如图所示，铁丝框上挂有液膜，表面张力系数为α，将AB边无摩擦、匀速、等温地右移△x，在AB边上加的力为：F=2αl，则在这个过程中外力F所做的功为:fBABAFSxlxFA2其中△S=2l△x,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：SAESASE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）ABd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=fdnmgdnmgnnmgWdf总滴数:四、影响表面张力系数的因素与液体的性质有关：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。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。物质水水水汞汞界面物质温度空气2072.8空气4069.6醚2012.2空气20490水20420N/m102物质菜油乙醚酒精皂液血液界面物质温度空气2027.3空气2017.0空气2022.3空气2025.2空气3740--50N/m102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，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：0PP0PSPff1.水平液面2.弯曲液面S0PsPPff①凸液面时，如图s周界上表面张力沿切线方向，合力指向液面内，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：sPPP0附加压强与外部压强相同为正，相反为负。S0PsPPff②凹液面时，如图s周界上表面张力的合力指向外部，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：sPPP-0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coRjj∆l∆f2//∆f1^∆fr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：lf∆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0sin2sin2211ffralffjjRarRarSfPs22221——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。coRjj∆l∆f2//∆f1^∆fr球形凸液面内压强RPP20球形凹液面内压强RPP20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，表面张力系数为α，求该球形液膜内外压强差ABCRPPAB2RPPBC2RPPAC4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RPPOC4AB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：SBSABAPPRRBA空气由BARR、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BARRBAPP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？（）mr5100.5mNa/100.52pap501001.1分析：设泡内的附加压强为，则泡内压强为spparapppps5525001005.1100.5100.541001.14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。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附着层R内聚力附着力合f凹液面合f凹液面凸液面合f3、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：20完全润湿：不润湿完全不润湿2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：ABCh毛细管刚插入水中时，管内液面为凹液面，PC=P0,PBP0,PBPC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PBPC，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ABCh由图RPPA20RPghPghPAB200PPPCBRgh2cos2grh00cos2h00cos2h当：0grh2当：或设毛细管半径为r,则cosRr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：ghPPPPPPPPPPRPRRABABSASBSBBSAASAB,,--,2,,所以由于如图当土壤温度变化时，悬着水两端温度不同，温度高的一端α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。ABbBAacPP3PP2PPP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2,112fff二、表面吸附2,112fff①②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③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，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