第七章液体的表面现象PPT讲稿.ppt

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1、第七章液体的表面现象第1页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象一、液体的表面张力及表面能一、液体的表面张力及表面能 液体表面像张紧的弹性膜一样，具有液体表面像张紧的弹性膜一样，具有收缩的趋势收缩的趋势。（1 1）毛笔尖入水散开，出水毛聚合；）毛笔尖入水散开，出水毛聚合；（2 2）蚊子能够站在水面上；）蚊子能够站在水面上；（3 3）钢针能够放在水面上；）钢针能够放在水面上；（4 4）荷花上的水珠呈球形；）荷花上的水珠呈球形；（5 5）肥皂膜的收缩；）肥皂膜的收缩；液体表面具有收缩

2、趋势的力，这种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存在于液体表面上的张力称为表面张力表面张力。说明：说明：力的作用是均匀分力的作用是均匀分布的，力的方向与液面相切；布的，力的方向与液面相切；液面收缩至最小。液面收缩至最小。表面张力的微观本质表面张力的微观本质是表面层分子之间是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。相互作用力的不对称性引起的。第2页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象实验表明实验表明AB(2)f(1)f 称为表面张力系数，表示称为表面张力系

3、数，表示单单位长度直线位长度直线两旁液面的相互作用拉力两旁液面的相互作用拉力。1.表面张力表面张力2.表面张力系数的基本性质表面张力系数的基本性质（1 1）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的液）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。体表面张力系数小。（2 2）同一种液体的表面张力系数与）同一种液体的表面张力系数与温度温度有关，温度越高，表有关，温度越高，表 面张力系数越小。面张力系数越小。（3 3）液体表面张力系数与）液体表面张力系数与相邻物质的性质相邻物质的性质有关。有关。（4 4）表面张力系数与）表面张力系数与液体中的杂质液体中的杂质有关。有关。第

4、3页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 表面张力的微观本质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是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。起的。从从能量的角度能量的角度来解释表面张力存在的原因。来解释表面张力存在的原因。分别以液体表面层分子分别以液体表面层分子A 和内部分和内部分子子B为球心、分子有效作用距离为半径为球心、分子有效作用距离为半径作球（作球（分子作用球分子作用球）。）。对于液体内部分子对于液体内部分子 B，分子作用球，分子作用球内液体分子的分

5、布是内液体分子的分布是对称的对称的；ABB 从统计上讲，其受力情况也是对称的，所从统计上讲，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。以沿各个方向运动的可能性相等。3.液体液体表面张力的微观本质表面张力的微观本质第4页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 对于液体表面层的分子对于液体表面层的分子 A，分子作用球中有一部分，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；部；当液体内部分子移动

6、到表面层中时，就要克服上述指向液体内部的分子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液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大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。状态。从从力的角度力的角度看，就是有表面张力存在。看，就是有表面张力存在。统计平均效果统计平均效果所受合外力指向液体内部所受合外力指向液体内部，因此有向，因此有向液体内部运动的趋势。液体

7、内部运动的趋势。AfL第5页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象4.液体液体的表面能的表面能F 做功为：做功为：S 指的是这一过程中液体表面积的增量，指的是这一过程中液体表面积的增量，所以：所以：表示表示增加单位表面积时，外力所需做的功增加单位表面积时，外力所需做的功从做功的角度定义从做功的角度定义从表面能的角度定义从表面能的角度定义 由能量守恒定律，外力由能量守恒定律，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液膜的

8、表面能 E 储存起来，即：储存起来，即：第6页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论二、弯曲液面的附加压强二、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。侧就形成一压强差，称为附加压强。ffP0P1=P0s 表面层中取一小薄表面层中取一小薄表面层中取一小薄表面层中取一小薄层液片分析其受力情况（忽略其层液片分析其受力情况（忽略其层液片分析其受力情况（忽略其层液片分析其受力情况（忽略其所受的重力），所受的重力

9、），所受的重力），所受的重力），水平液面水平液面:7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象即即即即其中：其中：P内内为液面内侧的压强，为液面内侧的压强，P外外为液面外侧的压强。为液面外侧的压强。可知可知可知可知第7页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 分析小薄层液片受力情况，分析小薄层液片受力情况，分析小薄层液片受力情况，分析小薄层液片受力情况，分析小薄层液片受力情况，分析小薄层液片受力情况，分析小薄层液片受力情况，分析小薄层液片受力情况，表面张力的合力表面张力的合力表面

10、张力的合力表面张力的合力 的方向与凸面法的方向与凸面法的方向与凸面法的方向与凸面法线方向相反，线方向相反，线方向相反，线方向相反，fsP0PP2 凹形液面凹形液面：PP3所以所以所以所以表面张力的合力方向不同，决定了是表面张力的合力方向不同，决定了是P0还是还是P0 凸形液面凸形液面：f所以所以所以所以表面张力的合力表面张力的合力表面张力的合力表面张力的合力 的方向与凹面法线的方向与凹面法线的方向与凹面法线的方向与凹面法线方向相反，方向相反，方向相反，方向相反，ffP0s=P0+P=P0-P即即即即第8页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章

11、分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 球形液面的附加压强球形液面的附加压强（附加压强与表面张力的定量关系）（附加压强与表面张力的定量关系）首首先先，在在如如图图的的球球形形液液面面上上取取一一球球帽帽形形的的小小液液块块,其其周周界界是是半半径径为为r的的圆圆环环。周周界界以以外外的的液液面面作作用用于于该该小小液液块块上上的的表表面面张张力力，处处处处与与该该周周界界垂垂直直并并于于球球面面相相切。切。df/dfdfrABCRdl 作用在一小段周界作用在一小段周界dL上的的表面上的的表面张张力力df为为第9页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学

12、（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 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：合力为：所以所以所以所以由于由于由于由于 ，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。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

13、可以认为重力与前两者相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。比小的多，将其忽略不计。第10页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象压力的大小为：压力的大小为：由于受力平衡，对小液块有：由于受力平衡，对小液块有：如果是凹形液面，则有如果是凹形液面，则有第11页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 例例例例已已知知液液体体的的表

14、表面面张张力力系系数数为为，用用此此液液体体吹吹成成半半径径为为R的的液液泡泡，求液泡内压强。（大气压为求液泡内压强。（大气压为P PO O）POP1P2P1=PO+PP2=P1 P=POP1=P2 PP2=P1+P=PO+2P =PO+4/R第12页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 润湿和不润湿润湿和不润湿附着层：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。液体层。是由附着层分子力引起的是由附着层分子力引

15、起的润湿润湿不润湿不润湿内聚力：内聚力：液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：附着力：固体分子对附着层内液体分子的吸引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润湿和不润湿决定于液体和固体的性质液体和固体的性质。三、毛细现象三、毛细现象第13页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象内聚力内聚力大于大于附着力附着力A不润湿不润湿内聚力内聚力小于小于附着力附着力A润湿润湿 液体对固体的润湿程度由液体对固体的润湿程度由接触角接

16、触角来表示。来表示。接触角：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。夹的角。通常用通常用 来表示。来表示。液体液体润湿润湿固体；固体；当当 时，时，当当 时，时，液体液体不润湿不润湿固体；固体；当当 时，时，液体液体完全润湿完全润湿固体；固体；当当 时，时，液体液体完全不润湿完全不润湿固体；固体；润湿润湿 不润湿不润湿A第14页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，

17、液面成凹液面，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。这种现象称为在管内下降。这种现象称为毛细现象毛细现象。hh能够产生毛细现象的细管称为能够产生毛细现象的细管称为毛细管毛细管。毛细现象毛细现象第15页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象1、毛细现象产生的原因、毛细现象产生的原因 毛细现象毛细现象是由于是由于润湿或不润湿现象润湿或不润湿现象

18、和和液体表面张力液体表面张力共同作共同作用引起的。用引起的。如果如果液体对固体润湿液体对固体润湿，则，则接触角为接触角为锐角锐角。固固体体液体液体h如果如果液体对固体不润湿液体对固体不润湿，则则接触角为接触角为锐角锐角。固固体体液体液体h 容器口径非常小，附加压强的存在容器口径非常小，附加压强的存在将使将使管内液面升高管内液面升高，产生，产生毛细现象毛细现象。容器口径很小，附加压强的存在将使容器口径很小，附加压强的存在将使管内管内液面降低液面降低，产生，产生毛细现象毛细现象。第16页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7

19、-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象2、毛细管中液面上升或下降的高度、毛细管中液面上升或下降的高度RCBArh 如图，一截面半径为如图，一截面半径为 r 的毛细圆管，液体的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为润湿管壁，接触角为 。设管内液面为一半径为设管内液面为一半径为 R 的凹球面的凹球面由几何关系可知：由几何关系可知：附加压强为：附加压强为：即即又且且第17页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象得：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润湿管壁的液体在毛细

20、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。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，则若液体不润湿管壁，则可得：可得：管内液面管内液面下降下降。在完全润湿或完全不润湿的情况下，在完全润湿或完全不润湿的情况下，=0=0 或或 =，则：，则：第18页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象四、气体栓塞四、气体栓塞(自学自学)如果让细管中的液体流动起来，液体表面会有什么变化呢？如果让细管中的液体流动起来，液体表面会有什么变化呢？如如图图所所示示的的

21、实实验验装装置置，当当活活塞塞不不施施加加压压强强（假假设设活活塞塞下下的的气气柱柱中中压压强强为为大大气气压压P0）时时，即即 给给活活塞塞施施加加压压强强并并逐逐渐渐增增大大，发发现现当当施施加加的的压压强强很很小小时时，液液面面并并不不降降低低，只只是是液液面面的的曲曲率率半径变小了。半径变小了。只有当压强增加到一定程度液面才下降。只有当压强增加到一定程度液面才下降。第19页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 这种现象对生物毛细管中液体的流动有影响。这种现象对生物毛细管

22、中液体的流动有影响。PPPP P如如图图，逐逐渐渐增增大大右右端端的的压压强强，刚刚开开始始液液滴滴并并不不移移动动，只只是是右右液液面面的的曲曲率率半半径径减减小小；只只有有当当压压强强增增量量 超超过过一一定定的的限限度度 时，液滴才开始移动。时，液滴才开始移动。如果毛细管中有如果毛细管中有 n 个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强为为 P；如果要使这如果要使这 n 个液滴移动，则最右端必须施以大于个液滴移动，则最右端必须施以大于P+nP 的压强。的压强。PP+PP+2PP+3PP+nP第20页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理

23、学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 当当液液体体在在毛毛细细管管中中流流动动时时，如如果果管管中中出出现现气气泡泡，液液体体的的流流动动会会受受阻阻，如如果果气气泡泡产产生生得得多多了了，就就会会堵堵住住毛毛细细管管，使使液液滴滴不不能流动。这种现象称为能流动。这种现象称为气体栓塞现象气体栓塞现象。气体栓塞现象的危害：气体栓塞现象的危害：（1 1）静脉注射或肌肉注射时要将针管中的气体排除后再注）静脉注射或肌肉注射时要将针管中的气体排除后再注 射射；（2 2）当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶）当环境气压突

24、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；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。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 3）在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气）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。泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。第21页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象从能量角度解释不润湿从能量角度解释不润湿

25、对于附着层内任意一分子对于附着层内任意一分子 A，当，当内聚力大于内聚力大于附着力附着力时，时，A 分子受到的合力分子受到的合力 f 垂直于附着层指垂直于附着层指向液体内部。向液体内部。Af液体液体固固体体 液体分子从液体内部运动到附着层内分子间液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做作用力做负功负功（即分子势能增大），附着层内分子（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。势能比液体内部分子势能大。根据根据平衡态势能最小的原则平衡态势能最小的原则，附着层内的分子要尽量挤入液，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，表现为体内（即尽量处于低势能

26、态），结果附着层收缩，表现为液体不润液体不润湿固体湿固体。第22页，共23页，编辑于2022年，星期二医学物理学医学物理学（第七版）（第七版）第七章第七章 分子动理论分子动理论7-5 7-5 液体的表面现象液体的表面现象 当当内聚力小于附着力内聚力小于附着力时，附着层内的分子时，附着层内的分子 A 受到的合力受到的合力 f 垂直于附着层指向固体表面。垂直于附着层指向固体表面。从能量角度解释润湿从能量角度解释润湿Af液体液体固固体体 液液体体分分子子从从液液体体内内部部运运动动到到附附着着层层内内分分子子间间作作用用力力做做正正功功（即即分分子子势势能能减减小小），使使得得附附着着层层内内分分子子势势能能比比液液体体内内部部分分子子势势能能小。小。液体内部的分子要尽量挤入附着层，结果附着层扩展，表液体内部的分子要尽量挤入附着层，结果附着层扩展，表现为现为液体润湿固体液体润湿固体。第23页，共23页，编辑于2022年，星期二