液體的表面現(xiàn)象

1、第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 1液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 2水黽為何可在水面上行水黽為何可在水面上行走而不至于沉入水中走而不至于沉入水中？牛奶滴落在盤上的瞬間牛奶滴落在盤上的瞬間濺出的小奶滴呈球狀濺出的小奶滴呈球狀一、表面張力一、表面張力第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 3第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 4曲別針能放在水面上曲別針能放在水面

2、上第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 5液體表面具有收縮趨勢的力，這種存在于液體表面具有收縮趨勢的力，這種存在于液體表面上的張力稱為液體表面上的張力稱為表面張力表面張力。以上的現(xiàn)象表明：以上的現(xiàn)象表明： 液體表面像張緊的彈性膜一樣，具有液體表面像張緊的彈性膜一樣，具有收縮的收縮的趨勢趨勢。 力的作用是均勻分布的，力的方向力的作用是均勻分布的，力的方向與液面相切；液面收縮至最小。與液面相切；液面收縮至最小。表面張力特點：表面張力特點：第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 6以分子球心、分子以分子

3、球心、分子有效有效作用距離作用距離r為半徑作球為半徑作球（分子作用球分子作用球）。）。 對于液體內(nèi)部分子對于液體內(nèi)部分子 A A，分子作用球內(nèi)液體分子的分布，分子作用球內(nèi)液體分子的分布是對稱的；是對稱的； 從統(tǒng)計上講，其受力情況也是對稱的，所以作用力相從統(tǒng)計上講，其受力情況也是對稱的，所以作用力相互平衡，合力為零?；テ胶?，合力為零。 表面張力的微觀本質(zhì)表面張力的微觀本質(zhì)是表面層分子之間相互作用力的是表面層分子之間相互作用力的不對稱性引起的。不對稱性引起的。fLf LABCr表面層表面層表面張力的微觀本質(zhì)表面張力的微觀本質(zhì)第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)

4、用物理學(xué)理學(xué) 7對于液體表面層的分子對于液體表面層的分子 B B，分子作用球，分子作用球中有一部分在空氣中，分子作用球內(nèi)下部中有一部分在空氣中，分子作用球內(nèi)下部液體分子密度大于上部；液體分子密度大于上部；當液體內(nèi)部分子移動到表面層中時，就要克服上述當液體內(nèi)部分子移動到表面層中時，就要克服上述指向液體內(nèi)部的分子引力作功，這部分功將轉(zhuǎn)變?yōu)榉种赶蛞后w內(nèi)部的分子引力作功，這部分功將轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿酉嗷プ饔玫膭菽?。所以子相互作用的勢能。所以液體表面層分子比液體內(nèi)部液體表面層分子比液體內(nèi)部分子的相互作用勢能大。分子的相互作用勢能大。液體表面層分子都受到指向液體內(nèi)部的力，使表面處于緊液體表面層分子都受到指向液體內(nèi)

5、部的力，使表面處于緊繃的狀態(tài)，宏觀上就表現(xiàn)為繃的狀態(tài)，宏觀上就表現(xiàn)為表面張力表面張力 統(tǒng)計平均效果統(tǒng)計平均效果所受合外力指向液體內(nèi)部所受合外力指向液體內(nèi)部，因此有向液體內(nèi)部運動的趨勢。因此有向液體內(nèi)部運動的趨勢。BF表面能表面能：表面層內(nèi)所有分子的勢能的總和表面層內(nèi)所有分子的勢能的總和第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 8LF表面張力系數(shù)表面張力系數(shù)表面張力的方向表面張力的方向:與液面相切，并垂直于分界線與液面相切，并垂直于分界線單位：單位：N.mN.m-1-1FFLFL單位長度上表面張力的大小單位長度上表面張力的大小第四章第四章 分子動力論

6、分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 由于液膜有前后兩個表面由于液膜有前后兩個表面層，金屬絲上的力為：層，金屬絲上的力為：LF2表面張力系數(shù)與表面能和功的關(guān)系表面張力系數(shù)與表面能和功的關(guān)系表面張力所做的功：表面張力所做的功：xLxFA2xLS2增加的液膜表面積：增加的液膜表面積：xLxLSA22 表示增加單位表面積時，外力所需做的功。表示增加單位表面積時，外力所需做的功。LFpull2LABCDBCx第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 10從從表面能表面能的角度定義：的角度定義：由能量守恒定律，外力由能量守恒定律，外

7、力 F F 所做的功完全用于所做的功完全用于克服表面張力，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榭朔砻鎻埩?，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橐耗さ谋砻婺芤耗さ谋砻婺?儲存儲存起來，即：起來，即：SEA增加液體單位表面積時液體表面能的增加增加液體單位表面積時液體表面能的增加SE第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 11（1 1）不同液體的表面張力系數(shù)不同，密度小、）不同液體的表面張力系數(shù)不同，密度小、容易蒸發(fā)的液體表面張力系數(shù)小。容易蒸發(fā)的液體表面張力系數(shù)小。（2 2）同一種液體的表面張力系數(shù)與溫度有關(guān)，）同一種液體的表面張力系數(shù)與溫度有關(guān)，溫度越高，表面張力系數(shù)越小。溫度越高，表面張力系數(shù)越

8、小。（3 3）液體表面張力系數(shù)與相鄰物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)）液體表面張力系數(shù)與相鄰物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)（4 4）表面張力系數(shù)與液體中的雜質(zhì)有關(guān)。）表面張力系數(shù)與液體中的雜質(zhì)有關(guān)。第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 12外內(nèi)PPPs內(nèi)P為液面內(nèi)側(cè)的壓強為液面內(nèi)側(cè)的壓強外P為液面外側(cè)的壓強為液面外側(cè)的壓強（一）彎曲液面的附加壓強（一）彎曲液面的附加壓強 由于表面張力的存在，彎曲液面的兩側(cè)壓強不由于表面張力的存在，彎曲液面的兩側(cè)壓強不相等，存在著壓強差，稱為附加壓強。相等，存在著壓強差，稱為附加壓強。附加壓強用附加壓強用 表示表示sP第四章第四章 分子動力論分子

9、動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 131.1.水平液面水平液面000PPPPPS外內(nèi)FFP0P0沒有附加壓強第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 14 表面張力的合力指向內(nèi)部，將小液片緊壓在液表面張力的合力指向內(nèi)部，將小液片緊壓在液體上體上FP02.2.凸形液面凸形液面P內(nèi)內(nèi)=P0+Ps0SPPP外內(nèi)所以：所以：Ps附加壓強為正附加壓強為正3.3.凹形液面凹形液面P0PsP內(nèi)內(nèi)=P0 - PsFF表面張力的合力指向外部表面張力的合力指向外部F0sPPP外內(nèi)所以：所以：附加壓強為負附加壓強為負第四章第四章 分子動力論分子

10、動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 15彎曲表面的附加壓強與表面張力的關(guān)系：彎曲表面的附加壓強與表面張力的關(guān)系：分析作用在分析作用在dl 上的表面張力上的表面張力, ,可知：可知：曲率半徑為曲率半徑為R R的凸球形液面的凸球形液面RdF1dF2dFrlddFsindsindd1lFFcosdcosdd2lFF平行于軸線平行于軸線OC OC 的合力：的合力：sindd11lFFsin2dsinrlRrF212RRrrSFPS22221由于由于Rrsin, ,OC第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 16 RPs2RPS2凸

11、球形液面的拉普拉斯公式：凸球形液面的拉普拉斯公式： 球形彎曲液面球形彎曲液面的附加壓強與表面張力系數(shù)成正的附加壓強與表面張力系數(shù)成正比，與液面的曲率半徑成反比。比，與液面的曲率半徑成反比。同理可證明，對于凹形液面：同理可證明，對于凹形液面：說明：說明：第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 17oisPPPR1R20sPA A點的壓強比點的壓強比B B點的壓強（點的壓強（ ）12RPPBA球形液膜內(nèi)外壓強差球形液膜內(nèi)外壓強差2122RRPPPCASCBAB B點的壓強比點的壓強比C C點的壓強（點的壓強（ ）22RPPCB因此，液膜內(nèi)外的壓強差為

12、：因此，液膜內(nèi)外的壓強差為：高高高高?)(CAPP第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 18 AARPP 40 BBRPP 40 打開連通管后，打開連通管后，B B 泡越小，泡越小，A A 泡越大泡越大。BARR BAPP 例：例：如圖所示的裝置中，連通管活塞關(guān)閉，左右如圖所示的裝置中，連通管活塞關(guān)閉，左右兩端吹成一大一小兩個氣泡（假設(shè)肥皂薄膜厚度兩端吹成一大一小兩個氣泡（假設(shè)肥皂薄膜厚度為定值為定值)。如果打開連通管，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？。如果打開連通管，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用

13、物理學(xué)理學(xué) 19 酒精酒精燈燈的的燈燈芯是用棉芯是用棉線線捻成一束，棉捻成一束，棉線間線間的空的空隙相隙相當于當于毛毛細細管，酒精管，酒精經(jīng)經(jīng)由由這這些些間間隙上升至芯隙上升至芯頭頭。 毛巾的一端浸入水中，毛巾的一端浸入水中，則整條毛巾會濡濕則整條毛巾會濡濕 方糖的一角沾上水漬，方糖的一角沾上水漬，則整塊則整塊方糖方糖會漸潮濕會漸潮濕。 植物植物根、莖、葉的脈絡(luò)等根、莖、葉的脈絡(luò)等也充也充當當毛毛細細管的角色，管的角色，根部的水分和根部的水分和養(yǎng)養(yǎng)分得以分得以輸送輸送至枝至枝葉葉。第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 20接觸角接觸角(cont

14、act angle)： 在接觸界面處，液體表面的切線和固體表面的在接觸界面處，液體表面的切線和固體表面的切線通過液體內(nèi)部所夾的角度。切線通過液體內(nèi)部所夾的角度。 接接觸觸角決定角決定于于液液體體的的種類種類及接及接觸觸面的性面的性質(zhì)質(zhì)090液體潤濕固體液體潤濕固體不潤濕固體不潤濕固體090000180第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 21 內(nèi)聚力和附內(nèi)聚力和附著著力力 分子力可分分子力可分為為內(nèi)聚力內(nèi)聚力：同同類類分子分子之之間間的吸引力的吸引力。附附著著力力：異類異類分子分子之之間間的吸引力的吸引力。潤濕與不潤濕的原因潤濕與不潤濕的原因附

15、著層附著層第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 22 靜止靜止水滴水滴在玻璃上的一般形狀在玻璃上的一般形狀 靜止靜止水銀滴水銀滴在玻璃上的一般形狀在玻璃上的一般形狀液體和固體的性質(zhì)液體和固體的性質(zhì)潤濕和不潤濕決定于：潤濕和不潤濕決定于：第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 23毛細現(xiàn)象：液體潤濕管壁，液面上升，反之下降毛細現(xiàn)象：液體潤濕管壁，液面上升，反之下降RPS2-潤濕管壁時的附加壓強潤濕管壁時的附加壓強B點壓強與點壓強與C點壓強相等，則點壓強相等，則P0RrhP0BC00cos2pghrp

16、管徑愈小管中管徑愈小管中的水柱愈高的水柱愈高rrcos2-cos2-cos2grh 第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 24接接觸觸角角與與液柱的升降液柱的升降 毛毛細細管插入水槽中，內(nèi)聚力小管插入水槽中，內(nèi)聚力小于于附附著著力，力，接觸接觸角角為銳為銳角，角，則則管內(nèi)的管內(nèi)的水柱水柱上升上升，水柱的液面，水柱的液面呈現(xiàn)周呈現(xiàn)周邊邊向上向上彎彎曲的弧面。曲的弧面。 毛毛細細管插入管插入水銀槽水銀槽中，內(nèi)聚力小中，內(nèi)聚力小于于附附著著力，力，接接觸角觸角為鈍為鈍角，角，則則管內(nèi)的管內(nèi)的水銀柱下降水銀柱下降，水銀柱水銀柱的液面呈現(xiàn)周的液面呈現(xiàn)周邊

17、邊向向下彎下彎曲的弧面。曲的弧面。hh第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 25 水的表面張力系數(shù)是一溫度的函數(shù)，若取水的表面張力系數(shù)是一溫度的函數(shù)，若取t t為攝為攝氏溫度可寫成氏溫度可寫成 問溫度由問溫度由2020升高至升高至7070時，直徑分別時，直徑分別d d1 1=0.1mm, =0.1mm, d d2 2=0.3 mm =0.3 mm 的兩連通毛細管中水面高度差的兩連通毛細管中水面高度差h h變化多變化多少？少？( (接觸角為接觸角為0)0)131015. 070mNt2111114ddgh2122114ddghmmddghhh4

18、.20114212121第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 26在潤濕的情況下，當液體在細在潤濕的情況下，當液體在細管中流動時，如果管中出現(xiàn)氣泡，液體的流動將管中流動時，如果管中出現(xiàn)氣泡，液體的流動將受到阻礙，氣泡多時可發(fā)生阻塞，這種現(xiàn)象叫做受到阻礙，氣泡多時可發(fā)生阻塞，這種現(xiàn)象叫做氣體栓塞。氣體栓塞。氣體栓塞是由于潤濕液體中彎曲液面氣體栓塞是由于潤濕液體中彎曲液面的附加壓強所產(chǎn)生的。的附加壓強所產(chǎn)生的。 2SPR第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 醫(yī)用物醫(yī)用物理學(xué)理學(xué) 27表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì) ( (surfactantsurfactant) )：能使液體的表面能使液體的表面張力系數(shù)降低的物質(zhì)張力系數(shù)降低的物質(zhì) 水的表面活性物質(zhì)有膽鹽、蛋黃素、肥皂以及水的表面活性物質(zhì)有膽鹽、蛋黃素、肥皂以及醚、醛等醚、醛等 非活性物質(zhì)：非活性物質(zhì)：能增加液體的表面張力系數(shù)能增加液體的表面張力系數(shù) 水的非活性物資有糖類、金屬氧化物、淀粉、食水的非活性物資有糖類、金屬氧化物、淀粉、食鹽等。鹽等。表面活性物質(zhì)在呼吸中的作用表面活性物質(zhì)在呼吸中的作用第四章第四章 分子動力論分子動力論 液體的表面現(xiàn)象液體