液體的表面張力課件

1、第1章 流體力學(xué),基本概念 流體：具有流動性的液體和氣體； 基本內(nèi)容 流體靜力學(xué) 流體動力學(xué),1,學(xué)習交流PPT,1.2 液體的表面現(xiàn)象,理解液體表面張力產(chǎn)生的微觀本質(zhì); 掌握表面張力系數(shù)的兩種定義; 掌握彎曲液面的附加壓強及計算; 掌握毛細管現(xiàn)象中的朱侖公式。,2,學(xué)習交流PPT,3,學(xué)習交流PPT,4,學(xué)習交流PPT,5,學(xué)習交流PPT,葉面：疏水、不吸水的表面，永遠保持一塵不染。,荷花效應(yīng),6,學(xué)習交流PPT,7,學(xué)習交流PPT,8,學(xué)習交流PPT,水黽的高明之處：1、既不會劃破水面，也不會浸濕自己的腿。 2、它在水面上每秒鐘可滑行100倍于身體長度的距離，這相當于一位身高1.8米的人以

2、每小時400英里的速度游泳。,9,學(xué)習交流PPT,問題1：為什么小液滴和小氣泡總是成球狀而不會成別的幾何形狀（如立方體、多角形等）？,問題2：水在玻璃管中呈凹形液面（彎月面），而汞在玻璃管(如血壓計)中卻呈凸形液面，為什么？,問題3：肌注、輸液、輸血時要防止氣泡進入,為什么？,10,學(xué)習交流PPT,液體的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),液體具有一定的體積，不易壓縮。 液體分子間距較氣體小了一個數(shù)量級 ,為10-10 m，分子排列較緊密，分子間作用力較大,其熱運動與固體相似 ,主要在平衡位置附近作微小振動。 液體沒有一定形狀，并具有流動性。 這是由于液體分子振動的平衡位置不固定，是近程有序，即在很小范圍內(nèi)

3、在一短暫時間里保持一定的規(guī)則性。,概 述,由于液體分子間距小，分子間相互作用力較大，當液體與氣體、固體接觸時，交界處由于分子力作用而產(chǎn)生一系列特殊現(xiàn)象，即：液體表面現(xiàn)象。,11,學(xué)習交流PPT,表面張力現(xiàn)象,為什么水面上的小昆蟲能在水面上行走，而不會沉入水中？,牛奶滴落在盤中的瞬間飛濺情形，呈現(xiàn)球狀，在盤上方的牛奶呈現(xiàn)近乎完美的球形？,12,學(xué)習交流PPT,表面張力的演示實驗（1）,圓形金屬框上沾有肥皂泡沫，若將膜面上的棉線圈內(nèi)部的膜戳破，那么棉線圈將被液體的表面張力拉成圓形；,13,學(xué)習交流PPT,表面張力的演示實驗（2）,橄欖油滴浮在同密度的水和酒精的混合液體中，由于表面張力的作用，油滴形

4、成完美的球形。,14,學(xué)習交流PPT,第1.2節(jié) 液體的表面張力,一、表面張力,1.現(xiàn)象：,說明：液面上存在沿表面的收縮力作用，這種力只存在于液體表面。,(2).液面像緊繃的彈性薄膜。,(1).液體表面有收縮到最小的趨勢；,2.表面張力,(1)表面層：在液體與氣體交界面，厚度等于分子有效作用距離(=10-8 m) 的一層液體。,(2)表面張力：液體的表面層中有一種使液面盡可能收縮成最小的宏觀張力。,15,學(xué)習交流PPT,分子力觀點： 表面張力是由于液體表面層內(nèi)分子間相互作用與液體內(nèi)部分子間相互作用不同。,分子作用球(約10-8 m) ： 在液體內(nèi)部P點任取一分子A ,以A為球心，以分子有效作用

5、距離為半徑作一球，稱為分子作用球 。球外分子對A 無作用力，球內(nèi)分子對A 的作用力對稱分布，合力為零。,(3)表面張力產(chǎn)生的微觀本質(zhì),分子力：在液體內(nèi)部的分子之間，彼此互相吸引力，忽略了斥力；,16,學(xué)習交流PPT,分子間既有引力作用 又有斥力作用,平衡位置,斥力起主要作用,引力起主要作用,R分子有效作用半徑 分子力是短程力！,17,學(xué)習交流PPT,從表面層中Q、R、S點任取一分子，其分子作用球一部分在液體外，空氣密度比水小，破壞了表面層的分子受力的球?qū)ΨQ性； 其受合力與液面垂直，指向液體內(nèi)部，這使得表面層內(nèi)的分子與液體內(nèi)部的分子不同,都受一個指向液體內(nèi)部的合力 f 越靠近表面，受到的f越大；

6、 在f作用下，液體表面的分子 有被拉進液體內(nèi)部的趨勢。,在宏觀上就表現(xiàn)為液體表面有收縮的趨勢。,18,學(xué)習交流PPT,任何系統(tǒng)的勢能越小越穩(wěn)定，所以表面層內(nèi)的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢，即液面有收縮的趨勢，使液面呈緊張狀態(tài)，宏觀上就表現(xiàn)為液體的表面張力。 體積一定, 球體的表面積最小;,從能量觀點來分析,把分子從液體內(nèi)部移到表面層，需克服 f 作功;外力作功,分子勢能增加,即表面層內(nèi)分子的勢能比液體內(nèi)部分子的勢能大，表面層為高勢能區(qū); 表面層內(nèi),各個分子勢能增量的總和稱為液體的表面能，用E 表示。,19,學(xué)習交流PPT,設(shè)想在液面上畫一條直線段，線段兩側(cè)液面均有收縮的趨勢，即有表面張力作用，

7、該力與液面相切,與線段垂直，指向各自的一方,分別用F 和F表示，這恰為一對作用力與反作用力， F = -F。,(4). 表面張力系數(shù)（定義一）, 為表面張力系數(shù)，表示液體表面單位長度直線段上的表面張力，單位：N / m 。,由于線段上各點均有表面張力作用,線段越長,則合力越大。設(shè)線段長為l ,則：F = l 。,20,學(xué)習交流PPT,如圖所示，鐵絲框上掛有液膜，表面張力系數(shù)為 ，將AB邊無摩擦、勻速、等溫地右移x，在AB邊上加的力為：F =2 l ，則在這個過程中外力F 所做的功為:,其中S = 2lx ,是AB 向右移動過程中液面面積的增量。外力克服分子間引力做功，液體表面能增加，若用E 表

8、示表面能增量，則：,表面張力系數(shù)在數(shù)值上等于增加單位液體表面積時，外力所需做的功，或增加單位液體表面積時，所增加的表面能比表面能；,(5). 表面張力系數(shù)與表面能增量（定義二）,21,學(xué)習交流PPT,例題1-5： P31 當許多半徑為r的小水滴融合成一個半徑為R的大水滴時釋放出的能量。水的表面張力系數(shù) 在此過程中保持不變，假設(shè)水滴 為球狀。,表明：小水滴融合成大水滴時，要釋放出能量； 反之，大水滴分散成許多小水滴時，要吸收外界能量；如：靜電噴霧,22,學(xué)習交流PPT,補充例題： 水和油邊界的表面張力系數(shù) 1810-3N/m，為了使M=1.0 10-3kg的油在水內(nèi)散布成半徑r10-6m的油滴，

9、需要做多少功?散布過程可以認為是等溫的，油的密度為 0.9103kg/m3;,23,學(xué)習交流PPT,與液體的性質(zhì)有關(guān)：不同液體， 值不同；密度小、易揮發(fā)的液體值較小。如:酒精、乙醚的值很小，金屬熔化后的值很大。 與相鄰物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)有關(guān)：同一液體與不同物質(zhì)交界， 值不同。 與溫度有關(guān)：溫度升高， 值減小。當液體沸騰時表面張力系數(shù)為零。( P31 表1-4 ) 與液體內(nèi)所含雜質(zhì)有關(guān)：在液體內(nèi)加入雜質(zhì)，液體的表面張力系數(shù)將顯著改變，有的使其值增加；有的使其值減小。使值減小的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。,三.影響表面張力系數(shù)的因素,24,學(xué)習交流PPT,25,學(xué)習交流PPT,表面活性物質(zhì)在農(nóng)藥、醫(yī)藥、冶金、

10、石油、民用洗滌、食品等各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 肥皂就是最常見的表面活性物質(zhì)。肥皂水的表面張力系數(shù)約為4010-3N/m，是純水的一半。一般說來，醇、酸、醛、酮等有機物質(zhì)大都是表面活性物質(zhì)。 表面活性物質(zhì)在水溶液中，能使不溶或微溶于水的有機物質(zhì)的溶解度顯著增加，這種現(xiàn)象稱為增溶作用(或加溶作用)。 增溶作用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活等各方面得到廣泛應(yīng)用。在制備農(nóng)藥時，為使一些不溶于水的藥物成為乳濁液，常加入增溶劑，以提高藥效； 另外，為了使噴灑在作物葉片上的農(nóng)藥能適當?shù)卣共奸_來，往往也要在稀釋過的農(nóng)藥中加入表面活性物質(zhì)：皂素、皂角粉、肥皂水； 但對酶類結(jié)構(gòu)的殺蟲利，會因肥皂水而使藥物水解。近年來常采

11、用陰離子型表面活性物質(zhì)(農(nóng)乳500)和非離子型表面活性物質(zhì)(如寧乳0204)，以克服使酯類農(nóng)約水解的缺點。 在冶金工業(yè)中，為加快熔融金屬的結(jié)晶速度，在金屬中加入表面活性物質(zhì)降低其表面張力系數(shù)。如：鋼液結(jié)晶時加入不同含量的硼會改變表面張力系數(shù)值。,26,學(xué)習交流PPT,1.2.3 彎曲液面的附加壓強,自然界中有許多情況下液面是彎曲的，液滴、水中的氣泡、肥皂泡、人體肺泡內(nèi)壁覆蓋的一層粘液等等，它們的液面都是彎曲的。有的彎曲液面是凸液面，如水滴；有的彎曲液面是凹液面，如水中的氣泡。 彎曲液面內(nèi)外存在一壓強差，稱為附加壓強, 用ps 表示。附加壓強是由于表面張力存在而產(chǎn)生的。,27,學(xué)習交流PPT,靜

12、止液體壓強的特點 靜止液體中的任一點，來自任何方向的壓強均相同； 液體內(nèi)部等高點的壓強相等，液體表面的壓強等于大氣壓強； 高度差為h的兩點， 壓強差為gh，并且離 液面越深處的壓強越大；,28,學(xué)習交流PPT,二：附加壓強的產(chǎn)生,在液體表面上取一小面積S ,由于液面水平，表面張力沿水平方向， S 平衡時，其邊界表面張力相互抵消,S 內(nèi)外壓強相等： PB = PA,1.平液面,29,學(xué)習交流PPT,2. 液面彎曲,1)凸液面時，如圖S周界上表面張力沿切線方向，合力指向液面內(nèi)，S好象緊壓在液體上，使液體受一附加壓強ps，由力平衡條件，液面下液體的壓強：,ps為正;,附加壓強使得液體內(nèi)部壓強大于外部

13、壓強。,30,學(xué)習交流PPT,2）凹液面時，如圖S周界上表面張力的合力指向外部，S好象被拉出，液面內(nèi)部壓強小于外部壓強，液面下壓強：,總之：附加壓強使彎曲液面內(nèi)外壓強不等，與液面曲率中心同側(cè)的壓強恒大于另一側(cè)， 任何彎曲液面都對液體產(chǎn)生附加壓強； 附加壓強方向恒指向彎曲液面的曲率中心；,31,學(xué)習交流PPT,三、球形液面的附加壓強-拉普拉斯公式,設(shè)有一半徑為R的球形液滴，其表面張力系數(shù)為，是凸液面，則液滴表面層內(nèi)外的壓強:,在液體表面，取微小球冠形液體元，球冠的邊緣線l存在表面張力F，沿球冠表面切線方向。 由于球冠很小，忽略其重力。 受力分析：,表面張力F,32,學(xué)習交流PPT,在球冠的邊緣線

14、上取線元l, 對應(yīng)表面張力為F。,沿邊緣線一周，F(xiàn)/相互抵消，作用在球冠邊緣線上 的表面張力的合力為：,受力平衡：,33,學(xué)習交流PPT,球形液面附加壓強與表面張力系數(shù)成正比，與球面半徑R成反比。 適用于任何液面：球面、半球面、凹凸面，R是液面處的曲率半徑； 半徑越小，附加壓強越大；半徑越大，附加壓強越??； 半徑無限大時，附加壓強等于零，這正是水平液面的情況。,掌握!,拉普拉斯公式,34,學(xué)習交流PPT,四.球形液泡的內(nèi)、外壓強差,如圖,由于球形液泡很薄，有內(nèi)外兩個表面，內(nèi)外膜半徑近似相等，設(shè)A、B、C 三點壓強分別為PA 、PB 、PC ，則：,液泡內(nèi)壓強大于液泡外壓強，并與半徑成反比。 同

15、樣處在大氣壓下，液泡半徑越小，內(nèi)外的壓強差越大;,35,學(xué)習交流PPT,補充： 向帶有活塞的三通玻璃管吹氣使兩端分別掛上大小不一的肥皂泡，旋轉(zhuǎn)活塞使兩氣泡連通，觀察氣泡的變化?,發(fā)現(xiàn)小泡將越來越小，大泡越脹越大。這就是小泡的附加壓強大于大泡的附加壓強的緣故。,36,學(xué)習交流PPT,2. R越小, 附加壓強越大,肺泡大小不均:肺泡合并，表面積減少,表面張力系數(shù)均勻,37,學(xué)習交流PPT,3、表面張力對呼吸的影響,（1）表面張力是肺泡收縮、排出氣體的主要動力。,太大:,肺泡擴張，類似氣胸。,太小:,肺泡萎縮，呼氣困難，類似肺氣腫。,肺中有數(shù)以億計的肺泡, 平均直徑為250m的微小空氣囊，它通過呼吸

16、道與大氣相通。正常成人因呼吸，肺泡每天平均收縮和擴張約15000次。肺泡間布滿充有血液的毛細血管，空氣中的氧和血液中的CO2在這里交換。,38,學(xué)習交流PPT,（2）表面活性物質(zhì)對附加壓強的調(diào)節(jié)作用是肺泡正常行使功能的保證。 肺泡表面活性物質(zhì)的生理意義: (1)降低肺泡表面張力; (2)增加肺的順應(yīng)性; (3)維持大小肺泡容積的相對穩(wěn)定; (4)防止肺不張; (5)防止肺氣腫。 肺泡表面活性物質(zhì)缺乏將出現(xiàn):肺泡的表面張力增加,大肺泡破裂小肺泡萎縮,初生兒呼吸窘迫綜合癥 等,39,學(xué)習交流PPT,補充例題3, 溫度為20時，一滴水珠內(nèi)部的壓強為外部壓強的2倍，求水珠的半徑。設(shè)大氣壓強Po1.01

17、3105Pa，20時水的表面張力系數(shù)為72.810-3Nm,40,學(xué)習交流PPT,補充例4 如圖，在內(nèi)半徑r0.3mm的細玻璃管中注水，一部分水在管的下端形成一凸液面，其半徑為3mm，管中凹液面的曲率半徑與毛細管的內(nèi)半徑相同。求管中所懸水柱的長度h。設(shè)水的表面張力系數(shù) 7310-3 Nm.,41,學(xué)習交流PPT,1.2.4 潤濕和不潤濕 毛細現(xiàn)象,42,學(xué)習交流PPT,潤濕: 液體沿固體表面延展的現(xiàn)象，稱液體潤濕固體。(水玻璃),一、潤濕與不潤濕,1. 定義,不潤濕：液體在固體表面上收縮的現(xiàn)象，稱液體不潤濕固體。(水石蠟),潤濕、不潤濕與相互接觸的液體、固體的性質(zhì)有關(guān)。,43,學(xué)習交流PPT,

18、內(nèi)聚力：附著層內(nèi)分子所受液體 分子引力之和。,2. 微觀解釋,潤濕、不潤濕是由于分子力不對稱而引起。,附著力：附著層內(nèi)分子所受固體 分子引力之和。,附著層：在固體與液體接觸處，厚度等于液體 或固體分子有效作用半徑（以大者為準）的一層液體。,44,學(xué)習交流PPT,(2)當 f附 f內(nèi),A 分子所受合力 f 垂直于附著層指向液體內(nèi)部，液體內(nèi)部分子勢能小于附著層中分子勢能，附著層中分子盡量擠進液體內(nèi)部，使附著層收縮，宏觀上表現(xiàn)為液體不潤濕固體。,(1)當 f附 f內(nèi),A 分子所受合力 f 垂直于附著層指向固體，液體內(nèi)部分子勢能大于附著層中分子勢能，液體內(nèi)的分子盡量擠進附著層，使附著層擴展，宏觀上表現(xiàn)

19、為液體潤濕固體。,45,學(xué)習交流PPT,在液體與固體接觸面的邊界處，作液體表面及固體表面的切線，這兩切線通過液體內(nèi)部的夾角稱接觸角 ，用 表示。,3. 接觸角,46,學(xué)習交流PPT,O,O,注意： 兩切線通過液體內(nèi)部的夾角稱接觸角,47,學(xué)習交流PPT,二、毛細現(xiàn)象,水在細玻璃管中水面上升； 水銀在玻璃管中液面下降；,1.毛細現(xiàn)象,潤濕管壁的液體在細管里升高，不潤濕管壁的液體在細管里下降的現(xiàn)象。,原因：表面張力及潤濕、不潤濕。,細管稱毛細管。,毛細管：紙張、燈芯、紗布中的纖維、土壤、植物的根莖等,48,學(xué)習交流PPT,2.管內(nèi)液面上升（或下降）的高度,(1)液體潤濕管壁,半徑為r的毛細管剛插入

20、水中時，為銳角,管內(nèi)液面為凹液面，PC = P0 ,PB P0 , B、C 為等高點，但PB PC ，液體不能靜止，管內(nèi)液面將上升，直至PB =PC 為止，有：,毛細管半徑為r，液面的曲率半徑為R，有：,49,學(xué)習交流PPT,(2)液體不潤濕管壁,毛細管剛插入水銀中時， 為鈍角,管內(nèi)液面為凸液面，PC = P0 , PB P0 , B、C 為等高點，但PB PC ，所以液體不能靜止，管內(nèi)液面將下降，直至找到等壓點為止，有：,毛細管半徑為r，液面的曲率半徑為R，有：,50,學(xué)習交流PPT,朱倫公式；,毛細管中液面上升高度與表面張力系數(shù)成正比； 與毛細管半徑成反比，并與接觸角有關(guān)。 因此毛細管越細，液面上升就越高； 利用朱倫公式可以測定液體表面張力系數(shù)；,h0, 液面上升 h0, 液面下降,51,學(xué)習交流PPT,補充例題5, 如圖, 盛有水的U形管中，細管的內(nèi)半徑rA=5.0 10-5m，粗管的內(nèi)半徑rB2.0 10-4m。設(shè)水能完