第七章-液体的表面现象-温州医学院-医用物理学课件

§7-5液体的表面现象医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象一、液体的表面张力及表面能液体表面像张紧的弹性膜一样，具有收缩的趋势。（1）毛笔尖入水散开，出水毛聚合；（2）蚊子能够站在水面上；（3）钢针能够放在水面上；（4）荷花上的水珠呈球形；（5）肥皂膜的收缩；液体表面具有收缩趋势的力，这种存在于液体表面上的张力称为表面张力。说明：①力的作用是均匀分布的，力的方向与液面相切；②液面收缩至最小。表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象实验表明LfAB(2)f(1)f’称为表面张力系数，表示单位长度直线两旁液面的相互作用拉力。1.表面张力2.表面张力系数的基本性质（1）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小。（2）同一种液体的表面张力系数与温度有关，温度越高，表面张力系数越小。（3）液体表面张力系数与相邻物质的性质有关。（4）表面张力系数与液体中的杂质有关。医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。从能量的角度来解释表面张力存在的原因。分别以液体表面层分子A和内部分子B为球心、分子有效作用距离为半径作球（分子作用球）。对于液体内部分子B，分子作用球内液体分子的分布是对称的；ABB从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。3.液体表面张力的微观本质医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象对于液体表面层的分子A，分子作用球中有一部分在液体表面以外，分子作用球内下部液体分子密度大于上部；当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能。所以液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大。由势能最小原则，在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态。从力的角度看，就是有表面张力存在。统计平均效果所受合外力指向液体内部，因此有向液体内部运动的趋势。AfL医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象4.液体的表面能F做功为：xFWxL2S△S指的是这一过程中液体表面积的增量，所以：SW表示增加单位表面积时，外力所需做的功LF2从做功的角度定义从表面能的角度定义由能量守恒定律，外力F所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为液膜的表面能△E储存起来，即：SWE医学物理学（第七版）第七章分子动理论二、弯曲液面的附加压强对于弯曲液面来说，由于液体表面张力的存在，在靠近液面的两侧就形成一压强差，称为附加压强。ffP0P1=P0Δs表面层中取一小薄层液片分析其受力情况（忽略其所受的重力），♦水平液面:§7-5液体的表面现象即100PPPPP外内－其中：P内为液面内侧的压强，P外为液面外侧的压强。PPP外内－可知10PP医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象分析小薄层液片受力情况，SfPP合02分析小薄层液片受力情况，表面张力的合力的方向与凸面法线方向相反，合fΔsP0ΔPP2♦凹形液面：ΔPP303PSfP合所以表面张力的合力方向不同，决定了是ΔP0还是ΔP0♦凸形液面：所以表面张力的合力的方向与凹面法线方向相反，合fffP0Δs=P0+ΔP=P0-ΔP即200PPP－300PPP－医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象♦球形液面的附加压强（附加压强与表面张力的定量关系）首先，在如图的球形液面上取一球帽形的小液块,其周界是半径为r的圆环。周界以外的液面作用于该小液块上的表面张力，处处与该周界垂直并于球面相切。Rdf//df⊥dfrABCRdl作用在一小段周界dL上的的表面张力df为sindsinddlffcosdcosddlff//lfdd医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象由于对称性，沿整个圆周表面张力的水平分量的合力为零，而所有的竖直分量大小方向都相等，所以表面张力的总合力为：sinddlfffsin2dsinrl所以Rrf22Rrsin由于，对于小液块而言，在此过程中除表面张力外，还受到由于液体内外压强差而产生的垂直向上的压力，以及垂直向下的重力。如果所选取的小液块足够的小，我们可以认为重力与前两者相比小的多，将其忽略不计。医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象压力的大小为：2'fPr222rPrR由于受力平衡，对小液块有：2PR如果是凹形液面，则有2PR医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象例已知液体的表面张力系数为，用此液体吹成半径为R的液泡，求液泡内压强。（大气压为PO）POP1P2P1=PO+ΔPP2=P1–ΔP=POP1=P2–ΔPP2=P1+ΔP=PO+2ΔP=PO+4/R医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象♦润湿和不润湿附着层：在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层。是由附着层分子力引起的润湿不润湿内聚力：液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：固体分子对附着层内液体分子的吸引力润湿和不润湿决定于液体和固体的性质。三、毛细现象医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象内聚力大于附着力A不润湿内聚力小于附着力A润湿ff液体对固体的润湿程度由接触角来表示。接触角：在液、固体接触时，固体表面经过液体内部与液体表面所夹的角。通常用q来表示。液体润湿固体；当时，2q当时，2q液体不润湿固体；当时，0q液体完全润湿固体；当时，q液体完全不润湿固体；q润湿q不润湿Af医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种现象称为毛细现象。hh能够产生毛细现象的细管称为毛细管。♦毛细现象医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象1、毛细现象产生的原因毛细现象是由于润湿或不润湿现象和液体表面张力共同作用引起的。如果液体对固体润湿，则接触角为锐角。固体液体h如果液体对固体不润湿，则接触角为锐角。固体液体h容器口径非常小，附加压强的存在将使管内液面升高，产生毛细现象。容器口径很小，附加压强的存在将使管内液面降低，产生毛细现象。医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象2、毛细管中液面上升或下降的高度θRCBAr0Ph如图，一截面半径为r的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为q。设管内液面为一半径为R的凹球面qcosRr由几何关系可知：附加压强为：R2rqcos20APPPrPPAqcos20即又ghPPAB且0PPPCB医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象grhqcos2得：润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。若液体不润湿管壁，则q2grhqcos2可得：管内液面下降。在完全润湿或完全不润湿的情况下，q=0或q=，则：grh2医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象四、气体栓塞(自学)如果让细管中的液体流动起来，液体表面会有什么变化呢？如图所示的实验装置，当活塞不施加压强（假设活塞下的气柱中压强为大气压P0）时，即grhqcos2给活塞施加压强并逐渐增大，发现当施加的压强很小时，液面并不降低，只是液面的曲率半径变小了。只有当压强增加到一定程度液面才下降。医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象这种现象对生物毛细管中液体的流动有影响。PPPP＋△P如图，逐渐增大右端的压强，刚开始液滴并不移动，只是右液面的曲率半径减小；只有当压强增量超过一定的限度时，液滴才开始移动。P如果毛细管中有n个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强为P；如果要使这n个液滴移动，则最右端必须施以大于P+nΔP的压强。PP+ΔPP+2ΔPP+3ΔPP+nΔP医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象当液体在毛细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动会受阻，如果气泡产生得多了，就会堵住毛细管，使液滴不能流动。这种现象称为气体栓塞现象。气体栓塞现象的危害：（1）静脉注射或肌肉注射时要将针管中的气体排除后再注射；（2）当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析出形成气泡；比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。（3）在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象从能量角度解释不润湿对于附着层内任意一分子A，当内聚力大于附着力时，A分子受到的合力f’垂直于附着层指向液体内部。Af’液体固体液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做负功（即分子势能增大），附着层内分子势能比液体内部分子势能大。根据平衡态势能最小的原则，附着层内的分子要尽量挤入液体内（即尽量处于低势能态），结果附着层收缩，表现为液体不润湿固体。医学物理学（第七版）第七章分子动理论§7-5液体的表面现象当内聚力小于附着力时，附着层内的分子A受到的合力f’垂直于附着层指向固体表面。从能量角度解释润湿Af’液体固体液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做正功（即分子势能减小），使得附着层内分子势能比液体内部分子势能小。液体内部的分子要尽量挤入附着层，结果附着层扩展，表现为液体润湿固体。