液体的表面现象课件.ppt

1、第二章第二章 液体的表面现象液体的表面现象2.1 液体的表面张力液体的表面张力 物质的存在形态：固态，液态，气态，和等物质的存在形态：固态，液态，气态，和等离子体态离子体态液体的特征；液体与气体接触有一个自由液体的特征；液体与气体接触有一个自由表面，与固体接触有一个附着层，因而会表面，与固体接触有一个附着层，因而会出现一系列表面现象出现一系列表面现象一表面张力现象一表面张力现象现象：液体与气体接触的时候，具有缩小表面积的现象：液体与气体接触的时候，具有缩小表面积的趋势，如荷叶上的露珠，小昆虫能停留在水面上等趋势，如荷叶上的露珠，小昆虫能停留在水面上等表面张力：液体表面具有象绷紧的弹性膜那表面张

2、力：液体表面具有象绷紧的弹性膜那样的张力，这种张力叫表面张力样的张力，这种张力叫表面张力如图所示，在金属圆环上系一细棉线，如图所示，在金属圆环上系一细棉线，浸入肥皂水中取出如图浸入肥皂水中取出如图2-1(a)所示，用尖针刺所示，用尖针刺破棉线内的肥皂泡，线环被拉成圆形如图破棉线内的肥皂泡，线环被拉成圆形如图2-1(b)表面层液体内部液体内部表面张力的微观本质：表面张力的微观本质：液体的表面层：在液液体的表面层：在液面下，厚度约为分子有效面下，厚度约为分子有效距的一层液面，叫做液体距的一层液面，叫做液体的表面层的表面层表面张力的微观机制：是由于液体表面层内表面张力的微观机制：是由于液体表面层内的

3、分子与液体内部分子的受力不同导致的的分子与液体内部分子的受力不同导致的分子力的观点解释表面张力分子力的观点解释表面张力分子斥力：斥力的有效作用距远小于引力作用距分子斥力：斥力的有效作用距远小于引力作用距对称性不容易破坏，在本问题中可以忽略对称性不容易破坏，在本问题中可以忽略分子引力：如上图所示：液体内部分子所受的分子引力：如上图所示：液体内部分子所受的作用力相互抵消，所受到的合力为零，而在表作用力相互抵消，所受到的合力为零，而在表面层的分子，其相互作用不能抵消，所受的合面层的分子，其相互作用不能抵消，所受的合力指向液体的内部，且越靠近表面合力越大力指向液体的内部，且越靠近表面合力越大液体的表面

4、能：表面层内所有分子的势能液体的表面能：表面层内所有分子的势能总合总合只有势能最低的系统才是稳定系统，液体只有势能最低的系统才是稳定系统，液体要达到稳定，其表面势能必然最低，液面就有要达到稳定，其表面势能必然最低，液面就有收缩到最小面积的趋势收缩到最小面积的趋势三表面张力系数三表面张力系数表面张力系数两种表面张力系数两种不同的定义：不同的定义：（）定义一；均匀液面的张力处处相等，（）定义一；均匀液面的张力处处相等，直线上任一处力的分布均相同作用在分直线上任一处力的分布均相同作用在分界线两侧的表面张力，其大小与分界线长度界线两侧的表面张力，其大小与分界线长度成正比，即：成正比，即：Lf 或或Lf

5、式中式中表面张力系数，它表示作用于液体表表面张力系数，它表示作用于液体表面单位长度线段上的表面张力面单位长度线段上的表面张力(N/m)（）定义二：（）定义二：如图：当边静止，如图：当边静止，外力：外力：L2fF设想边移动一小距离，则薄膜增大设想边移动一小距离，则薄膜增大的面积为的面积为XL2S在边移动过程中所做的功为：在边移动过程中所做的功为：SXL2XFW在等温条件下，外力做工完全转化为液体在等温条件下，外力做工完全转化为液体的表面能的表面能SWE根据上式，得根据上式，得SE定义：表定义：表面张力系数等于增大单位液体表面积面张力系数等于增大单位液体表面积时所增加的表面能，因此，表面张力系数又

6、被时所增加的表面能，因此，表面张力系数又被称为比表面能，单位为称为比表面能，单位为J/m2四表面张力系数的测定四表面张力系数的测定测定液体表面张力的方法测定液体表面张力的方法毛细管上升法毛细管上升法最大泡压法最大泡压法液滴法液滴法挂环法挂环法液滴法测定表面张力系数液滴法测定表面张力系数的方法和原理：的方法和原理：用移液管吸取质量为的液用移液管吸取质量为的液体，让其在管下端慢慢滴出，体，让其在管下端慢慢滴出，成袋状液滴，如右图所示，成袋状液滴，如右图所示，当液体向上的表面张力当液体向上的表面张力不足以支持其重力时，的长度不足以支持其重力时，的长度d可用仪器测量，可用仪器测量，上方的表面张力为：上

7、方的表面张力为：df若移液管中，液体全部滴尽时的总滴数为，若移液管中，液体全部滴尽时的总滴数为，则每一滴液体所受重力为则每一滴液体所受重力为NMgG 液滴落下瞬间表面张力与重力相等，即液滴落下瞬间表面张力与重力相等，即NMgd 得：得：NdMg（）（）用相同的两根移液管，各吸取体积为的蒸馏用相同的两根移液管，各吸取体积为的蒸馏水及待测表面张力系数的农用药液，分别将两水及待测表面张力系数的农用药液，分别将两种液体缓慢滴尽，记下蒸馏水的滴数种液体缓慢滴尽，记下蒸馏水的滴数及药及药液的滴数液的滴数，已知水的表面张力系数为，已知水的表面张力系数为，求出药液的表面张力系数（水的密度与药液求出药液的表面张

8、力系数（水的密度与药液密度可视为相等，经测量表明：水滴和药液将密度可视为相等，经测量表明：水滴和药液将要下时颈部直径要下时颈部直径d1与与d2近似相等）近似相等）12解；根据式（）解；根据式（）1111111dNVgdNgM2222222dNVgdNgM两者相除得：两者相除得：11122212dNVgdNVg由于由于2121dd所以所以2112NN得得1212NN水和油边界的表面张力系数水和油边界的表面张力系数m/N10183为了使为了使1.0 x10-3kg的油在水内散布成半径的油在水内散布成半径r=10-6m的油滴，需要做多少功？散布过程可的油滴，需要做多少功？散布过程可以认为是等温的，油

9、的密度为以认为是等温的，油的密度为33m/kg109.0 解：设小滴数为，大油滴半径为，由于解：设小滴数为，大油滴半径为，由于散布前后的总质量保持不变，则散布前后的总质量保持不变，则Nr34R34M33得得33NrR 由于一个大油滴等温的散布成大量小油滴时，由于一个大油滴等温的散布成大量小油滴时，所做的功仅耗在油滴表面积增加时所增加的表所做的功仅耗在油滴表面积增加时所增加的表面能，所以面能，所以)RNr(4)R4Nr4(SEW2222由由R3=Nr3可得可得 rRNr32所以所以)1rR(R4)RrR(4W223因为与因为与r相比可以忽略，则相比可以忽略，则)J(100.6109.01010/

10、1018100.13rM3rR4W236333五影响液体表面张力系数的因素五影响液体表面张力系数的因素（）与液体性质有关，不同种类的液体表面张（）与液体性质有关，不同种类的液体表面张力系数一般不相同，密度小，易挥发的液体表面力系数一般不相同，密度小，易挥发的液体表面张力系数较小，密度大不易挥发的液体表面张力张力系数较小，密度大不易挥发的液体表面张力系数大系数大()与液体的温度有关：对确定液体，表面张与液体的温度有关：对确定液体，表面张力随温度升高而减小力随温度升高而减小（）与相邻物质化学性质有关（）与相邻物质化学性质有关（）与液体中的杂质有关：在液体中加入杂（）与液体中的杂质有关：在液体中加入

11、杂质能显著改变其表面张力系数的大小质能显著改变其表面张力系数的大小（a)能使表面张力系数减小的物质称为表面活性能使表面张力系数减小的物质称为表面活性物质，它在农药，医药，冶金，食品等各领域得物质，它在农药，医药，冶金，食品等各领域得到广泛应用到广泛应用(b)表面活性物质在水溶液中，能使不溶或微溶于表面活性物质在水溶液中，能使不溶或微溶于水的物质的溶解度显著增加，这种现象称为增溶作水的物质的溶解度显著增加，这种现象称为增溶作用，在工业，农业及各方面得到广泛应用用，在工业，农业及各方面得到广泛应用2.弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强 一附加压强产生的原因一附加压强产生的原因平液面，由于表面张力

12、是沿水平方向，因此对平液面，由于表面张力是沿水平方向，因此对，两点的压强没有贡献，即：，两点的压强没有贡献，即：0BAppp2 凸液面，表面张力沿着表面的切线方向凸液面，表面张力沿着表面的切线方向,这时这时 表面张力有垂直向下的分量，因此表面张力有垂直向下的分量，因此s0Bppp凹液面，表面张力有向上方向的分力，因凹液面，表面张力有向上方向的分力，因此此s0Bppp其中其中Ps是由表面张力引起的附加压强，这表明是由表面张力引起的附加压强，这表明弯曲液面都对液体施加附加压强，其附加压强弯曲液面都对液体施加附加压强，其附加压强总是指向弯曲液面的曲率中心总是指向弯曲液面的曲率中心拉普拉斯公式拉普拉斯

13、公式如图所示：一半径为，表面如图所示：一半径为，表面张力系数为的球形液滴，由张力系数为的球形液滴，由于是凸液面，所以附加压强于是凸液面，所以附加压强0ispppPi和和p0分别是液滴表面层内外的压强，分别是液滴表面层内外的压强，ps为附加压强为附加压强该液面在外力作用下表面积增加该液面在外力作用下表面积增加ds，外力做功为，外力做功为dVpdWs从而使液体的表面能增加了从而使液体的表面能增加了dSdE而表面能的增加正是由于外力做功的结果，所以：而表面能的增加正是由于外力做功的结果，所以：dWdE 即即dVpdSs因为因为dRRRdRRdV2334)(34RdRdS8）R-）dRR（422得得R

14、2ps结论：球形液面附加压强与表面张力系数成正比，与液结论：球形液面附加压强与表面张力系数成正比，与液面半径成反比面半径成反比弯曲液面下的压强 由于液体表面张力的存在，弯曲液面下液体的压强不同于平坦液面下液体的压强，这两者之差就称为附加压强。2sin2rprRp222rpRrr对凹状球形液面，同理有 。Rp2凸状液面：Rdfrp液体内部液体内部肥皂泡内外气体的压强差肥皂泡内外气体的压强差如图，肥皂泡有内外两个如图，肥皂泡有内外两个表面膜层，由于膜很薄，表面膜层，由于膜很薄，可以近似认为两层的半径可以近似认为两层的半径相等为，如图点，相等为，如图点，点，点的压强关系是点，点的压强关系是R2ppA

15、B由于内表面是凹液面，所以由于内表面是凹液面，所以R2ppCB消去消去B得：得：R4ppAC结论：表面张力系数越大，液泡的半径越小，结论：表面张力系数越大，液泡的半径越小，内外压强差就越大内外压强差就越大例：温度为例：温度为时，一滴水珠内部的压强为外部压强时，一滴水珠内部的压强为外部压强的两倍，求水珠的半径设大气压强的两倍，求水珠的半径设大气压强p0=1.013x105Pa,20时水的表面张力系数为时水的表面张力系数为72.8x10-3N/m.解：水的内外压强差为解：水的内外压强差为R2pp0i)m(1044.110013.1108.722p2pp22pp2R6530000i例：如图所示：在内

16、半径例：如图所示：在内半径r=0.3mm的细玻璃管中注水，一的细玻璃管中注水，一部分水在管的下端形成一凸液部分水在管的下端形成一凸液面，其半径面，其半径3mm，管中凹，管中凹液面的曲率半径与毛细管的内液面的曲率半径与毛细管的内半径相同，求管中所悬水柱的半径相同，求管中所悬水柱的长度设水的表面张力系数为长度设水的表面张力系数为73x10-3N/m.解：设，分别为上，下液体表面内的一点，解：设，分别为上，下液体表面内的一点，两点压强分别为，两点压强分别为pA，pB,大气压强为大气压强为p0，则则R2pp0Ar2pp0B两式相减得两式相减得r2R2ppBA根据流体静力学原理，有根据流体静力学原理，有

17、ghppBA则则ghr2R2因而，管中水柱长度为因而，管中水柱长度为)m(104.5)10311031(8.91010732)r1R1(g2h243332.毛细现象毛细现象 水滴水滴一液体与固体接触处一液体与固体接触处的表面现象的表面现象不润湿现象：一滴水在干净的石蜡板上成球形，不润湿现象：一滴水在干净的石蜡板上成球形，不附着在石蜡板上，我们就说水不润湿石蜡不附着在石蜡板上，我们就说水不润湿石蜡润湿现象一滴水在干净的玻璃板上能扩散开，形润湿现象一滴水在干净的玻璃板上能扩散开，形成一薄层水，我们就称水能润湿玻璃成一薄层水，我们就称水能润湿玻璃润湿和不润湿取决与相互接触的液体和固体两者的性质固固体

18、体液液体体q固固体体液体q接触角q是锐角，液体浸润固体。如接触角q0，称完全浸润。接触角q是钝角，液体不浸润固体。接触角q，称完全不浸润。附着层附着层附着层附着层微观机制微观机制（）内聚力：液体分子之间的吸引力（）内聚力：液体分子之间的吸引力（）附着力：液体与固体分子之间的吸引力（）附着力：液体与固体分子之间的吸引力（）附着层：液体与固体接触处，有一层特（）附着层：液体与固体接触处，有一层特殊的液体薄层，其厚度为固体分子与液体分子殊的液体薄层，其厚度为固体分子与液体分子相互作用的有效距离，这一薄层称为附着层相互作用的有效距离，这一薄层称为附着层当内聚力附着力，分子所受的合力垂直于当内聚力附着力

19、，分子所受的合力垂直于附着层但指向固体，分子尽可能进入附着层，附着层但指向固体，分子尽可能进入附着层，使附着层扩展，成凹液面，表现为润湿使附着层扩展，成凹液面，表现为润湿当内聚力附着力，分子所受的合力垂直于附当内聚力附着力，分子所受的合力垂直于附着层但指向液体内部，分子尽可能挤入液体内部，着层但指向液体内部，分子尽可能挤入液体内部，使附着层收缩，成凸液面，表现为不润湿使附着层收缩，成凸液面，表现为不润湿不同的液体对不同固体润湿与不润湿的程度不不同的液体对不同固体润湿与不润湿的程度不同，为表明液体对固体的润湿程度，引入接触同，为表明液体对固体的润湿程度，引入接触角这个物理量角这个物理量定义：在液

20、体与固体接触处，作液体表面和固定义：在液体与固体接触处，作液体表面和固体表面的切线，这两条线间通过液体内部的夹体表面的切线，这两条线间通过液体内部的夹角，称为接触角角，称为接触角应用：农业上制备农药时，要注意使农药润湿农作物应用：农业上制备农药时，要注意使农药润湿农作物abdc二毛细现象二毛细现象 毛细现象；将几根内径不同的细玻璃管插毛细现象；将几根内径不同的细玻璃管插入水中，可以看到细管中的水面会上升；相入水中，可以看到细管中的水面会上升；相反，如果将细玻璃管插入水银中，管内水银反，如果将细玻璃管插入水银中，管内水银面会降低，这种液体在细管中上升或下降的面会降低，这种液体在细管中上升或下降的

21、现象，称为毛细现象现象，称为毛细现象毛细现象是表面张力和浸润现象共同作用的结果，它是由于固、液、气三相分子间作用力不同的结果。当液体浸润管壁时：当液体浸润管壁时：液 体qhqRr图中点的压强图中点的压强R2pp0C根据流体静力学原理，根据流体静力学原理，点的压强为点的压强为ghR2pghpp0CA而液体平衡，故而液体平衡，故0BAppp因而因而ghR2pp00得得gR2h又由图可以看出：又由图可以看出：qcos/rR将此式代入前式，得将此式代入前式，得grcos2hq（）（）式称为朱伦公式，公式表明：毛细管中液面上式称为朱伦公式，公式表明：毛细管中液面上升的高度与表面张力系数成正比，与毛细管半

22、径升的高度与表面张力系数成正比，与毛细管半径成反比因此毛细管越细，液面上升就越高成反比因此毛细管越细，液面上升就越高当液体不浸润管壁时：当液体不浸润管壁时：液 体hABC毛细管中液面下降的高度毛细管中液面下降的高度仍能用式表示，只是这仍能用式表示，只是这时接触角为钝角，时接触角为钝角，cosq0因此因此h，表示管内液，表示管内液面比管外低面比管外低例：如图所示，盛有水的形管中，细例：如图所示，盛有水的形管中，细管的内半径为管的内半径为r A=5.0X10-5m粗管的内半径粗管的内半径 r B=2.0X10-4m，设水能完全润湿玻璃管壁，且已知，设水能完全润湿玻璃管壁，且已知水的表面张力系数为水

23、的表面张力系数为73x10-3m.试求左右两管水的试求左右两管水的高度差高度差h.解：设大气压强为解：设大气压强为p0，完全润湿的情况下，接触，完全润湿的情况下，接触角角0q粗管中紧靠液面下的点的强度为粗管中紧靠液面下的点的强度为B0B0Br2prcos2ppq细管紧靠水下面点的压强为细管紧靠水下面点的压强为A0A0Ar2prcos2ppq根据流体静力学原理，有根据流体静力学原理，有ghppAB由以上三式求得由以上三式求得g/)r1r1(2hBA将水的密度代入已知数据，得将水的密度代入已知数据，得)cm(3.22h 毛细现象的应用毛细现象的应用在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子：在自然界

24、和日常生活中有许多毛细现象的例子：植物茎内的导管就是植物体内极细的毛细管植物茎内的导管就是植物体内极细的毛细管,它它能把土壤中的水分吸上来砖块吸水，毛巾吸汗，能把土壤中的水分吸上来砖块吸水，毛巾吸汗，粉笔吸墨水都是常见的毛细现象，在这些物体中粉笔吸墨水都是常见的毛细现象，在这些物体中有很多细小的孔道，起着毛细管的作用有很多细小的孔道，起着毛细管的作用 水沿毛细管上升的现象，对农业生产影响很大，水沿毛细管上升的现象，对农业生产影响很大，土壤里有很多毛细管，地下的水分经常沿着这些土壤里有很多毛细管，地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来，如果要保存地下的水分，毛细管上升到地面上来，如果要保存地

25、下的水分，就应当锄松地面的土壤，破坏土壤表层，以减少就应当锄松地面的土壤，破坏土壤表层，以减少水分的蒸发水分的蒸发定义：当润湿液体在细管中流动时，若管定义：当润湿液体在细管中流动时，若管中出现气泡，液体的流动就会受到阻碍，气中出现气泡，液体的流动就会受到阻碍，气泡多了，就可以把细管完全堵塞，使液体不泡多了，就可以把细管完全堵塞，使液体不能流动，这种现象叫气体栓塞现象能流动，这种现象叫气体栓塞现象三气体栓塞现象三气体栓塞现象气体栓塞现象产生的原因：是由于弯曲液面气体栓塞现象产生的原因：是由于弯曲液面具有附加压强的缘故具有附加压强的缘故生活中的气体栓塞现象（自己看书）生活中的气体栓塞现象（自己看书

26、）四土壤中的毛细管水四土壤中的毛细管水重力水：完全由于重力运动的水，它不能在土重力水：完全由于重力运动的水，它不能在土壤中长期保存，很快会渗入到地层深处，所以不壤中长期保存，很快会渗入到地层深处，所以不利于被植物吸收利于被植物吸收吸附水：土壤颗粒外被吸附的一层水膜称为吸吸附水：土壤颗粒外被吸附的一层水膜称为吸附水，吸附性强，植物很难吸收，对植物生长效附水，吸附性强，植物很难吸收，对植物生长效用亦很低用亦很低毛细水：土壤中密集颗粒的间隙构成了许多弯毛细水：土壤中密集颗粒的间隙构成了许多弯曲的毛细管，地下水可以沿着这些毛细管上升，曲的毛细管，地下水可以沿着这些毛细管上升，这称为毛管上升水而有些水可

27、以保持在土壤颗这称为毛管上升水而有些水可以保持在土壤颗粒间，很难流失，可以为植物利用，这种水称为粒间，很难流失，可以为植物利用，这种水称为毛管悬着水毛管悬着水因为水能润湿土壤，因此悬着水的上下端都是因为水能润湿土壤，因此悬着水的上下端都是凹液面凹液面如图所示，当上下两凹面产生如图所示，当上下两凹面产生的附加压强差刚好与水柱重力的附加压强差刚好与水柱重力产生的压强想抵消时，水柱能产生的压强想抵消时，水柱能悬而不动悬而不动)RR(2ghBBAA则则)RR(g2hBBAA土壤水的应用：土壤保持适当的水分是农业增产的土壤水的应用：土壤保持适当的水分是农业增产的一个重要问题，土壤水分过多则毛细管被水充满，空一个重要问题，土壤水分过多则毛细管被水充满，空气不流通；水分少，则植物缺水；为了改善土壤结构，气不流通；水分少，则植物缺水；为了改善土壤结构，松土（植物呼吸），适当增加腐殖质松土（植物呼吸），适当增加腐殖质