《液體的表面性質(zhì)》PPT課件.ppt

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1、液體的表面現(xiàn)象,,,,醫(yī)用物理學(xué),教學(xué)內(nèi)容： 了解產(chǎn)生液體表面現(xiàn)象的微觀機制 掌握表面張力系數(shù)以及表面張力 掌握彎曲液面內(nèi)的附加壓強公式 理解潤濕與不潤濕現(xiàn)象、毛細(xì)現(xiàn)象 了解肺泡的壓強、氣體栓塞以及表面吸附現(xiàn)象等,第四章 液體的表面現(xiàn)象,液體有哪些特性質(zhì)？,液體的性質(zhì)介于固體與氣體之間。一方面，它像固體一樣具有一定的體積，不易壓縮；另一方面，它又像氣體一樣，沒有一定的形狀，具有流動性,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 , 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，

2、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)在一短暫時間里保持一定的規(guī)則性。,由于液體分子間距小，分子間相互作用力較大，當(dāng)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。,1、分子力的特點,：斥力,：引力,有效直徑：,有效作用半徑：,,,,,,合力,斥力,引力,根據(jù)分子之間作用力對這種微觀結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步解釋,,6、微觀力與宏觀力的關(guān)系,3、表面層：,,,4、表面能：表面層分子勢能內(nèi)部分子勢 能，形成表面能。,5、形成表面張力 系統(tǒng)以勢能最小的狀態(tài)最穩(wěn)定，液體有 盡量縮小其表面的趨勢，宏觀表面為表面張力。,球內(nèi)分子引

3、力，,分子作用球,2、分子作用球：半徑：R、,球外分子無作用力。,表面層分子受力：合力向下。,7、 界面（interface）： 密切接觸的兩相間的過渡區(qū)，約 10-910-8 m， 有幾個分子層厚,8、表面（surface）： 其中的一項為氣體（習(xí)慣）。如：氣- 固，氣-液。,五類界面：氣-液，氣- 固， 液- 固 ，液1-液2 ， 固1- 固2,第一節(jié) 表面張力 表面能,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)液面像緊繃的橡皮膜具有彈性。,(1)液面有收縮到最小的趨勢；,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

4、力。,,表面張力（surface tension）,液體表面有收縮到最小的趨勢,從分子運動論觀點說明,分子作用球： 在液體內(nèi)部任取一分子A ,以A為球心，以分子有效作用半徑R 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。,2.表面張力產(chǎn)生的原因,從表面層中任取一分子B，其受合力與液面垂直，指向液內(nèi)，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 。,在這些力作用下，液體表面的分子有被拉進(jìn)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。,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

5、有收縮的趨勢，這種趨勢在宏觀上就表現(xiàn)為液體的表面張力。表面張力是宏觀力，與液面相切; f 是微觀力，與液面垂直。,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);各個分子勢能增量的總和稱為表面能，用E 表示。,二、表面張力系數(shù),我們想象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，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。,為表面張力系數(shù)，數(shù)值上等于單位長度直線段兩側(cè)液面的表面張力，單位：N / m 。,

6、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 。,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 =2l ，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，表面能增加，若用E 表示表面能增量，則：,三、表面張力系數(shù)的測定與表面能增量,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，表面能的增加。,表面張力系數(shù)的測定（液滴測定法）,A,B,d,質(zhì)量為m的待測液體吸入移液管，由管口下端緩慢流出，形

7、成袋狀水滴。當(dāng)表面張力不足以支持重力時，水滴下落，則：W=f,四、影響表面張力系數(shù)的因素,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。如酒精的值很小，金屬 熔化后的值很大。 與相鄰物質(zhì)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，兩者近似呈線性關(guān)系。 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)。,,部分液體的表面張力系數(shù),第二節(jié) 彎曲液面內(nèi)外的壓強差,自然界中有許多情況下液面是彎曲的，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

8、張力存在而產(chǎn)生的。,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：,1.水平液面,2.彎曲液面,凸液面時，如圖D s周界上表面張力沿切線方向，合力指向液面內(nèi)，D s好象緊壓在液體上，使液體受一附加壓強ps ,由力平衡條件可知，液面下液體的壓強：,附加壓強與外部壓強相同為正，相反為負(fù)。,凹液面時，如圖D s周界上表面張力的合力指向外部，D s如好象被拉出，液面內(nèi)部壓強小于外部壓強，由力平衡條件可知，液面下液體的壓強：,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)，附加壓強方向恒指向曲率中心,3.球冠形

9、液面,已知：呈凸?fàn)畹膹澢好嫔辖爻鲆粋€球冠形小液面，將其周邊界分成許多小段l，小段l作用于該小液面上的表面張力大小為：,f的方向與l相切，現(xiàn)將分解成兩個互相垂直的分量f1 、 f2 ，如圖所示，其中f1的方向指向液面內(nèi)部， f2方向平行于整液面,拉普拉斯球面附加壓強公式 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。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。,球形凸液面內(nèi)壓強,球形凹液面內(nèi)壓強,附加壓強PS：由于液面彎曲，因表面張力而產(chǎn)生的，指向彎曲液面曲率中心的壓強， PS并不是某處液體得壓強值P，而是由于有彎曲液面的存

10、在，所產(chǎn)生的壓強的增量值。,例1、已知某球形液膜的半徑為R，表面張力系數(shù)為 ，求該球形液膜內(nèi)外壓強差,則,注意：彎曲液面的附加壓強與液面層數(shù)有關(guān)，實 際應(yīng)用時要區(qū)分單層液面與雙層液膜。,若PA為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓PO，則,例2、兩個大小不同且同性質(zhì)的液泡用一連通管聯(lián)通，如果連通管中的閥門打開，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？,分析：,氣體由A流向B，直到最終A形成一個球冠形液膜，且使得 ，這時有,例3、有一半徑 的球形肥皂泡，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓中形成，泡膜的表面張力系數(shù) ，問此時泡內(nèi)壓強有多大？（ ）,分析：設(shè)泡內(nèi)的附加壓強為 ，則泡內(nèi)壓強為,第三節(jié) 毛細(xì)現(xiàn)象,潤濕: 液體沿固體表面延

11、展的現(xiàn)象，稱液體潤濕固體。,一、潤濕與不潤濕,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。,潤濕、不潤濕與相互接觸的液體、固體的性質(zhì)有關(guān)。,水玻璃：潤濕,水石蠟：不潤濕,1、現(xiàn)象,2、潤濕與不潤濕的物理過程,（1）附著層：固液接觸處，厚度等R的一層液體,（2）附著層內(nèi)分子受力與液面形狀,3、定量描述,（1）接觸角 固液接觸處，固體表面與液體表面 的切線在液體內(nèi)部形成的角。,（2）潤濕 ：,完全潤濕：,不潤濕,完全不潤濕,4、摻雜對接觸角的影響,（1）潤濕劑、清潔劑：使 減小 （2）防水劑：使 增大,5、典型的潤濕與不潤濕現(xiàn)象,（1）純水潤濕潔凈的玻璃；水銀潤濕潔凈的鋅

12、 板銅板或鐵板 （2）純水不潤濕石蠟；水銀不潤濕玻璃,二、毛細(xì)現(xiàn)象,潤濕管壁的液體在細(xì)管里升高，不潤濕管壁的液體在細(xì)管里下降的現(xiàn)象。,1、現(xiàn)象：,水玻璃管 液面上升；水銀玻璃管 液面下降,2、本質(zhì)：,毛細(xì)管剛插入水中時，管內(nèi)液面為凹液面， PC = P0 ,PB< P0 , PB< PC,根據(jù)流體靜力學(xué)原理，靜止流體同高的壓強應(yīng)該相等，B、C 為等高點，但PB< PC ，所以液體不能靜止，管內(nèi)液 面將上升，直至PB =PC 為止,3、管內(nèi)液面上升（或下降）的高度,由圖,當(dāng)：,設(shè)毛細(xì)管半徑為r,則,4、毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用----懸著水,水沿土壤顆粒間隙形成的毛細(xì)管上升，叫毛細(xì)管上升水。土壤中的毛細(xì)管

13、起著分配、保持土壤中的水分作用。土壤毛細(xì)管中存在的水叫懸著水，其在土壤毛細(xì)管中能保持的原因是：,當(dāng)土壤溫度變化時，懸著水兩端溫度不同，溫度高的一端值減小，導(dǎo)致該端Ps 減小，使懸著水向溫度低處移動。,5、毛細(xì)現(xiàn)象的延伸----氣體栓塞,舉例: 病人輸液；潛水員由深水上??；植物高溫下枯萎。,如圖，毛細(xì)管中有一段液體，液體左右兩端壓強相等,形成對稱的彎液面，欲使液柱向右移動， 則在左側(cè)加一壓強P，這時兩側(cè)液面形狀改變，右側(cè)曲率半徑增大 , 左側(cè)曲率半徑減小，產(chǎn)生向左的附加壓強差來抵抗P ,當(dāng)P 達(dá)到一定程度時，液柱才能移動。,當(dāng)毛細(xì)管中有很多氣泡，則外加幾個大氣壓都不能使液柱移動，形成栓塞, 稱氣

14、體栓塞現(xiàn)象。,第四節(jié) 表面吸附和表面活性物質(zhì),一、表面活性物質(zhì),1、表面層收縮趨勢越大，液體的表面張力系數(shù)越大,2、能夠減小液體表面張力系數(shù)的物質(zhì)稱為該液體的表面活性物質(zhì) 水的表面活性物質(zhì)有：膽鹽、卵磷脂、肥皂、有機酸,3、能夠增大液體表面張力系數(shù)的物質(zhì)稱為該液體的表面非活性物質(zhì) 水的表面非活性物質(zhì)有：氯化鈉、淀粉、糖類,4、表面活性物質(zhì)和表面非活性物質(zhì)是相對的，對某種液體是表面活性物質(zhì)，對另一種液體則可能是表面非活性物質(zhì),二、表面吸附,,,保持液滴形狀,伸展開成一薄膜,-----表面吸附現(xiàn)象,能夠使溶液表面張力減小的溶質(zhì)稱為表面活性物質(zhì),,固體吸附吸附度,舉例: 白陶土； 活性炭；

15、 凈水器。,探討肺泡表面活性物質(zhì)在肺呼吸過程中的作用,肺位于胸腔內(nèi)，支氣管在肺內(nèi)分成許多小支氣管，每個小支氣管末端附有很多小氣囊，稱為肺泡。 肺泡腔里是氣體，肺泡壁則有一層液體，這樣就構(gòu)成了氣液交界面，同時會在氣液界面上存在向肺泡中心回縮的表面張力。 若每個肺泡內(nèi)氣液界面的表面張力系數(shù)相同，小肺泡內(nèi)的壓強大于大肺泡內(nèi)的壓強，有可能使小肺泡萎縮，大肺泡膨脹，但這種情況在肺內(nèi)并沒有出現(xiàn)，原因就是表面活性物質(zhì)的作用。 肺泡表面液層中分布有一定量的、由肺泡II型細(xì)胞分泌的一種脂蛋白，它可起降低表面張力系數(shù)的作用。,二、肺泡的活動,吸氣時，肺泡擴(kuò)張，表面積增加，表面活性物質(zhì)濃度減小，表面張力系數(shù)增加，附

16、加壓強相對增加，保證肺泡不過分?jǐn)U大。,呼氣時，肺泡縮小，表面積減小，表面活性物質(zhì)濃度增加，表面張力系數(shù)減小，附加壓強相對減小，保證肺泡不過分萎縮。,肺泡大小變化時，表面活性物質(zhì)的濃度隨之改變，起著調(diào)節(jié)表面張力大小的作用，以至于保持肺泡大小變化不大。 另外還穩(wěn)定大小肺泡中的壓強，不至于連通的肺泡中大肺泡變大，小肺泡縮小。,注意：大小泡問題,第三章 學(xué)習(xí)要點,一、表面張力 1、概念：表面張力系數(shù)的定義 2、影響表面張力系數(shù)的因素,大?。簡螌右好? 雙層液膜,二、彎曲液面的附加壓強 方向：指向彎曲液面的曲率中心,,三、潤濕不潤濕、毛細(xì)現(xiàn)象,2、毛細(xì)現(xiàn)象,注意：,r：毛細(xì)管半徑，,

17、中的 ：彎曲液面的曲率半徑。,練 習(xí)：,1、使液體表面張力系數(shù)減小的途徑是 或 。,2、 已知某液體表面張力系數(shù) 為 ，則恰好能把一個半徑 為R 的細(xì)金屬圓環(huán)從液體中 拉出需用力為 。,3、 一個半徑為2.00102m的肥皂泡 它的內(nèi)外壓強差為 ， 如果溫度升高，此壓強差將 。 （a = 25.0103 N / m）,4、兩根材料相同的毛細(xì)管插入同一液體中，液面上升高度比為 = 23，兩毛細(xì)管半徑比 。,5、兩個相同的毛細(xì)管，一個插在水里，水上升高度為 ；另一個插在酒精里，酒精上升高度為 ，管子插入時都是鉛直的，表面張力系數(shù) =7310-3N/m ， =

18、2210-3N/m，酒精密度 = 0.8g/cm，設(shè)兩種液體接觸角 = 0，則 ： 為 。,作 業(yè)：,53頁習(xí)題 4-3 4-4 4-5 4-6,Thank You!,,,,練 習(xí)：,（升溫、摻入表面活性物質(zhì)）,1、使液體表面張力系數(shù)減小的途徑是 或 。,2、 已知某液體表面張力系數(shù) 為 ，則恰好能把一個半徑 為R 的細(xì)金屬圓環(huán)從液體中 拉出需用力為 。,3、 一個半徑為2.00102m的肥皂泡 它的內(nèi)外壓強差為 ， 如果溫度升高，此壓強差將 。 （a = 25.0103 N / m）,4、兩根材料相同的毛細(xì)管插入同一液體中，液面上升高度比為 = 23，兩毛細(xì)管半徑比 。,5、兩個相同的毛細(xì)管，一個插在水里，水上升高度為 ；另一個插在酒精里，酒精上升高度為 ，管子插入時都是鉛直的，表面張力系數(shù) =7310-3N/m ， =2210-3N/m，酒精密度 = 0.8g/cm，設(shè)兩種液體接觸角 = 0，則 ： 為 。,,