液体的表面性质解析.pptx

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1、会计学1液体的表面性质解析液体的表面性质解析教学内容：教学内容：了解产生液体表面现象的微观机制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，它固体一样具有一定的体积，不易压缩；另一方面，它又

2、像气体一样，没有一定的形状，具有流动性又像气体一样，没有一定的形状，具有流动性 第1页/共46页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，由于液体分子间距小，分子间相互作用力较大，当液当液体与气体、固体接触时，交界处由于体与气体、固体接触时，交界处由于分子力作用分子力作用而产生一而产生一系列特殊现

3、象，即：液体表面现象。系列特殊现象，即：液体表面现象。第2页/共46页1、分子力的特点、分子力的特点：斥力斥力：引力引力 有效直径：有效直径：有效作用半径：有效作用半径：合力合力斥力斥力引力引力根据分子之间作用力对这种微观结构的进一步解释第3页/共46页表面层表面层6、微观力与宏观力的关系3、表面层：、表面层：4、表面能：表面能：表面层分子势能内部分子势表面层分子势能内部分子势 能，形成表面能。能，形成表面能。5、形成、形成表面张力表面张力 系统以势能最小的状态最稳定，液体系统以势能最小的状态最稳定，液体有有 尽量缩小其表面的趋势，宏观表面为表面张力。尽量缩小其表面的趋势，宏观表面为表面张力。

4、球内分子引力，球内分子引力，分子作用球分子作用球2、分子作用球：、分子作用球：半径：半径：R、球外分子无作用力。球外分子无作用力。表面层分子受力：合力向下。表面层分子受力：合力向下。第4页/共46页7、界面（interface）：密切接触的两相间的过渡区，约 10-910-8 m，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5页/共46页第一节第一节 表面张力表面张力 表面能表面能一、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

5、。(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。第6页/共46页表面张力（surface tension）液体表面有收缩到最小的趋势第7页/共46页从分子运动论观点说明从分子运动论观点说明分子作用球：分子作用球：在液体内部任取一在液体内部任取一分子分子A,以以A为球心，为球心，以分子有效作用半径以分子有效作用半径R 为半径作一球，称为半径作一球，称为分子作用球为分子作用球 。球外。球外分子对分子对A 无作用力，无作用力，球内分子对球内分子对A 的的作用作用力对称分布，合力为力对称分布，合力为零。零。2.2.表面张力产生的原因表面张力产生的原因第8页/共46

6、页 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。第9页/共46页 任何系统的势能越小越稳定，所以表面层内的分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，与液面相切力。表面张力是宏观力，与液面相切;f;f 是微观是微观力，与液面垂直。力，与液

7、面垂直。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。第10页/共46页二、表面张力系数 我们想象在液面上画一条我们想象在液面上画一条直线段，线段两侧液面均有收直线段，线段两侧液面均有收缩的趋势，即有表面张力作用，缩的趋势，即有表面张力作用，该力与液面相切该力与液面相切,与线段垂直，与线段垂直，指向各自的一方指向各自的一方,分别用分别用f 和和f表示，这恰为一对作用力与反表示，这恰为一对作用力与反作用力，作用力，f =-f。为表面张力系数，数值上

8、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 =l。第11页/共46页 如图所示，铁丝框上挂有液膜，如图所示，铁丝框上挂有液膜，表面张力系数为表面张力系数为，将，将AB边边无摩擦无摩擦、匀速匀速、等温等温地右移地右移x，在，在AB边上加边上加的力为：的力为：F=2=2l ，则在这个过程中，则在这个过程中外力外力F 所做的功为所做的功为:其中其中S S=2lx ,是是AB 向右移动过程中液面面积的增量。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，若用外力克服分子间引力做功，表面能增加，若用E

9、 表示表面表示表面能增量，则：能增量，则：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。所需做的功，或增加单位液体表面积时，表面能的增加。第12页/共46页表面张力系数的测定（液滴测定法）表面张力系数的测定（液滴测定法）ABd 质量为质量为m m的待测液体吸入移液管，由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，表面张力不足以支持重力时，水滴下落，则：则：W=fW=f第13

10、页/共46页四、影响表面张力系数的因素与液体的性质有关：不同液体，值不同；密度小、易挥发的液体值较小。如酒精的值很小，金属 熔化后的值很大。与相邻物质性质有关：同一液体与不同物质交界，值不同。与温度有关：温度升高，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，有的使其值增加；有的使其值减小。使值减小的物质称为表面活性物质。第14页/共46页 物质物质 水水 水水 水水 汞汞 汞汞 界面物质界面物质 温度温度 空气空气 2020 72.8 72.8 空气空气 4040 69.6 69.6 醚醚 20 20 12.2 12.2 空气空气 2020

11、 490 490 水水 2020 420 420 物质物质 菜油菜油 乙醚乙醚 酒精酒精 皂液皂液 血液血液 界面物质界面物质 温度温度 空气空气 2020 27.3 27.3 空气空气 2020 17.0 17.0 空气空气 2020 22.3 22.3 空气空气 2020 25.2 25.2 空气空气 3737 40-50 40-50部分液体的表面张力系数部分液体的表面张力系数第15页/共46页第二节第二节 弯曲液面内外的压强差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，称为附加压强液面内外存在一压强差，称为附加压

12、强,用用Ps 表表示。附加压强是由于表面张力存在而产生的。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在液体表面上取一小面积积S S,由于液面水平，由于液面水平，表面张力沿水平方向，表面张力沿水平方向，S S 平衡时，其边界表平衡时，其边界表面张力相互抵消面张力相互抵消,SS 内外压强相等：内外压强相等：1.1.水平液面水平液面 第16页/共46页2.2.弯曲液面弯曲液面 凸液面时，如图凸液面时，如图D s周周界上表面张力沿切线方界上表面张力沿切线方向，合力指向液面内，向，合力指向液面内，D s好象紧压在液体上，使好象紧压在液体上，使液体受一附加压强液体受一附加压强ps,由由力

13、平衡条件可知，液面力平衡条件可知，液面下液体的压强：下液体的压强：附加压强与外部压强相同为正，相反为负。附加压强与外部压强相同为正，相反为负。第17页/共46页凹液面时，如图凹液面时，如图D s周界周界上表面张力的合力指向外上表面张力的合力指向外部，部，D s如好象被拉出，液如好象被拉出，液面内部压强小于外部压强，面内部压强小于外部压强，由力平衡条件可知，液面由力平衡条件可知，液面下液体的压强：下液体的压强：附加压强使弯曲液面内外压强不等，与液面曲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指向曲率

14、中心第18页/共46页3.3.球冠形液面球冠形液面 coRjjlf 2/f 1fr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：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方向平行于整液面第19页/共46页 拉普拉斯球面附加压强公式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，与球面球形液面附加压强与表面张力系数成正比，与球面半径半径R R成反比。半径越小，附加压强越大；半径越大，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

15、强等于零，这附加压强越小；半径无限大时，附加压强等于零，这正是水平液面的情况。正是水平液面的情况。coRjjlf 2/f 1fr第20页/共46页 球形凸液面内压强球形凸液面内压强 球形凹液面内压强 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。第21页/共46页例1、已知某球形液膜的半径为R，表面张力系数为，求该球形液膜内外压强差则则注意：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，则第22页/共46页例2、两个大小不同且同性质的液泡

16、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：空气由空气由 气体由A流向B，直到最终A形成一个球冠形液膜，且使得 ，这时有第23页/共46页例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？（）分析：设泡内的附加压强为 ，则泡内压强为第24页/共46页第三节 毛细现象毛细现象 润湿润湿:液体沿固体表面液体沿固体表面延展的现象，称液体润延展的现象，称液体润湿固体。湿固体。一、润湿与不润湿一、润湿与不润湿不润湿：液体在固体表不润湿：液体在固体表面上收缩的现象，称液面上收缩的现象，称液体不润湿固体。体不润湿固体。润湿、不润湿与相互接触的液体

17、、固体的性质有关。润湿、不润湿与相互接触的液体、固体的性质有关。水水玻璃：润湿玻璃：润湿水水石蜡：不润湿石蜡：不润湿1 1、现象、现象第25页/共46页2 2、润湿与不润湿的物理过程、润湿与不润湿的物理过程（1 1）附着层：固液接触处，厚度等）附着层：固液接触处，厚度等R R的一层液体的一层液体（2 2）附着层内分子受力与液面形）附着层内分子受力与液面形状状附着层附着层内聚力内聚力附着力附着力凹液面凹液面凹液面凹液面凸液面凸液面第26页/共46页3 3、定量描述、定量描述（1 1）接触角）接触角 固液接触处，固体表面与液体表面固液接触处，固体表面与液体表面 的切线在液体内部形成的角。的切线在液

18、体内部形成的角。（2 2）润湿润湿 ：完全润湿：完全润湿：不润湿不润湿完全不润湿完全不润湿第27页/共46页4 4、掺杂对接触角的影响、掺杂对接触角的影响（1 1）润湿剂、清洁剂：使）润湿剂、清洁剂：使 减小减小（2 2）防水剂：使）防水剂：使 增大增大5 5、典型的润湿与不润湿现象、典型的润湿与不润湿现象（1 1）纯水润湿洁净的玻璃；水银润湿洁净的锌）纯水润湿洁净的玻璃；水银润湿洁净的锌 板铜板或铁板板铜板或铁板（2 2）纯水不润湿石蜡；水银不润湿玻璃）纯水不润湿石蜡；水银不润湿玻璃第28页/共46页二、毛细现象润湿管壁的液体在细管里升高，不润湿管润湿管壁的液体在细管里升高，不润湿管壁的液体

19、在细管里下降的现象。壁的液体在细管里下降的现象。1 1、现象：、现象：水玻璃管 液面上升；水银玻璃管 液面下降2 2、本质：、本质：毛细管刚插入水中时，管内液面毛细管刚插入水中时，管内液面为凹液面，为凹液面，PC=P0 ,PB P0 ,PB PC 根据流体静力学原理，静止流体同高根据流体静力学原理，静止流体同高的压强应该相等，的压强应该相等，B、C 为等高点，但为等高点，但PB PC ，所以液体不能静止，管内液，所以液体不能静止，管内液 面将上升，直至面将上升，直至PB=PC 为止为止第29页/共46页3 3、管内液面上升（或下降）的高度、管内液面上升（或下降）的高度 由图当：当：当：当：或或

20、设毛细管半径为r,则第30页/共46页4、毛细现象的应用、毛细现象的应用-悬着水悬着水 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。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：持的原因是：当土壤温度变化时，悬着水两端温度不同，温度高当土壤温度变化时，悬着水两端温度不同，温度高的一端的一端值值减小，导致该端减小，导致该端Ps 减小，使悬着水向温度低减小，使悬着水向温度低处移动。处移动

21、。第31页/共46页5、毛细现象的延伸、毛细现象的延伸-气体栓塞气体栓塞举例举例:病人输液；潜水员由病人输液；潜水员由深水上浮；植物高温下枯萎。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如图，毛细管中有一段液体，液体左右两端压强相等等,形成对称的弯液面，欲使液柱向右移动，形成对称的弯液面，欲使液柱向右移动，则在左侧加则在左侧加一压强一压强P，这时两侧液面形状改变，右侧曲率半径增大，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左侧曲率半径减小，产生向左的附加压强差来抵抗P ,当当P 达到一定程度时，液柱才能移动。达到一定程度时，

22、液柱才能移动。当毛细管中有很多气泡，当毛细管中有很多气泡，则外加几个大气压都不能使则外加几个大气压都不能使液柱移动，形成栓塞液柱移动，形成栓塞,称称气气体栓塞现象体栓塞现象。第32页/共46页第四节 表面吸附和表面活性物表面吸附和表面活性物质质一、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、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、能够减小液体表面张力系数的物质称为该液体的表面表面活性物质活性物质 水水的表面活性物质有的表面活性物质有：胆盐、卵磷脂、肥皂、有机酸：胆盐、卵磷脂、肥皂、有机酸3、能够增大液体表面张力系

23、数的物质称为该液体的、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表面非活性物质 水水的表面非活性物质有的表面非活性物质有：氯化钠、淀粉、糖类：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第33页/共46页二、表面吸附二、表面吸附保持液滴形状保持液滴形状伸展开成一薄膜伸展开成一薄膜-表面吸附现象表面吸附现象 能够使溶液表面张能够使溶液表面张力减小的溶质称为力减小的溶质称为表面表面活性物质活性物质固体吸附固体吸附吸附度吸附度举例举例:白陶土；白陶土；活性炭；活性炭；净水器。净水器。第34页/共46页探讨肺泡表

24、面活性物质在肺呼吸过程中的作用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。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。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

25、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。的作用。肺泡表面液层中分布有一定量的、由肺泡肺泡表面液层中分布有一定量的、由肺泡II型细胞分型细胞分泌的一种脂蛋白，它可起降低表面张力系数的作用。泌的一种脂蛋白，它可起降低表面张力系数的作用。第35页/共46页二、肺泡的活动二、肺泡的活动 吸气时，肺泡扩张，表面积增加，表面活性物质浓吸气时，肺泡扩张，表面积增加，表面活性物质浓度减小，表面张力系数增加，附加压强相对增加，保证度减小，表面张力系数增加，附加压强相对增加，保证肺

26、泡不过分扩大。肺泡不过分扩大。呼气时，肺泡缩小，表面积减小，表面活性物质浓呼气时，肺泡缩小，表面积减小，表面活性物质浓度增加，表面张力系数减小，附加压强相对减小，保证度增加，表面张力系数减小，附加压强相对减小，保证肺泡不过分萎缩。肺泡不过分萎缩。肺泡大小变化时，表面活性物质的浓度随之改变，起着肺泡大小变化时，表面活性物质的浓度随之改变，起着调节表面张力大小的作用，以至于保持肺泡大小变化不大。调节表面张力大小的作用，以至于保持肺泡大小变化不大。另外还稳定大小肺泡中的压强，不至于连通的肺泡中大肺另外还稳定大小肺泡中的压强，不至于连通的肺泡中大肺泡变大，小肺泡缩小。泡变大，小肺泡缩小。第36页/共4

27、6页注意：大小泡问题第三章第三章 学习要点学习要点一、表面张力一、表面张力 1、概念：、概念：表面张力系数的定义表面张力系数的定义 2、影响表面张力系数的因素、影响表面张力系数的因素大小：大小：单层液面单层液面 双层液膜双层液膜二、弯曲液面的附加压强二、弯曲液面的附加压强 方向：方向：指向弯曲液面的曲率中心指向弯曲液面的曲率中心第37页/共46页三、润湿不润湿、毛细现象三、润湿不润湿、毛细现象1、润湿、润湿不润湿不润湿2、毛细现象、毛细现象注意：注意：r：毛细管半径，：毛细管半径，中的中的 ：弯曲液面的曲率半径。：弯曲液面的曲率半径。第38页/共46页练练练练 习：习：习：习：1、使液体表面张

28、力系数减小的途径是、使液体表面张力系数减小的途径是 或或 。2、已知某液体表面张力系数已知某液体表面张力系数 为为 ，则恰好能把一个半径，则恰好能把一个半径 为为R 的细金属圆环从液体中的细金属圆环从液体中 拉出需用力为拉出需用力为 。3、一个半径为一个半径为2.00102m的肥皂泡的肥皂泡 它的内外压强它的内外压强差为差为 ，如果温度升高，此压强差将如果温度升高，此压强差将 。（a=25.0103 N/m）4、两根材料相同的毛细管插入同一液体中，液面上升高度比为 =23，两毛细管半径比 。第39页/共46页5、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上升高度为、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上

29、升高度为 ；另一个插在酒精里，酒精上升高度为；另一个插在酒精里，酒精上升高度为 ，管子插入，管子插入时都是铅直的，表面张力系数时都是铅直的，表面张力系数 =7310-3N/m，=2210-3N/m，酒精密度，酒精密度 =0.8g/cm，设两种液体接，设两种液体接触角触角 =0，则，则 ：为为 。第40页/共46页作作 业：业：n n53页习题4-3 4-4 4-5 4-6第41页/共46页第42页/共46页练练练练 习：习：习：习：（升温、掺入表面活性物质）1、使液体表面张力系数减小的途径是、使液体表面张力系数减小的途径是 或或 。2、已知某液体表面张力系数已知某液体表面张力系数 为为 ，则恰

30、好能把一个半径，则恰好能把一个半径 为为R 的细金属圆环从液体中的细金属圆环从液体中 拉出需用力为拉出需用力为 。第43页/共46页3、一个半径为一个半径为2.00102m的肥皂泡的肥皂泡 它的内外压强它的内外压强差为差为 ，如果温度升高，此压强差将如果温度升高，此压强差将 。（a=25.0103 N/m）4、两根材料相同的毛细管插入同一液体中，液面上升高度比为 =23，两毛细管半径比 。第44页/共46页5、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上升高度为、两个相同的毛细管，一个插在水里，水上升高度为 ；另一个插在酒精里，酒精上升高度为；另一个插在酒精里，酒精上升高度为 ，管子插入，管子插入时都是铅直的，表面张力系数时都是铅直的，表面张力系数 =7310-3N/m，=2210-3N/m，酒精密度，酒精密度 =0.8g/cm，设两种液体接，设两种液体接触角触角 =0，则，则 ：为为 。第45页/共46页