表面張力幻實(shí)用教案

1、1 表面張力產(chǎn)生的原因，可以用分子間相互作用的分子力來(lái)加以(jiy)解釋。 液體具有(jyu)收縮其表面，使表面積達(dá)到最小的趨勢(shì)。這說(shuō)明液體表面存在著張力，這種張力稱為表面張力。 1、 表面張力(biominzhngl)一、 表面張力和表面能 第1頁(yè)/共39頁(yè)第一頁(yè)，共40頁(yè)。2 而當(dāng)分子(fnz)間的距離大于10-9m時(shí)，引力很快趨于零。 當(dāng)兩分子間的距離(jl)大于r0而在10-1010-9m時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為引力; 當(dāng)兩個(gè)(lin )分子間的距離 r = r0 時(shí)，分子間的作用力為零。 分子間的平衡距離r0的數(shù)量級(jí)約為10-10m。第2頁(yè)/共39頁(yè)第二頁(yè)，共40頁(yè)。3分子(fnz)

2、作用球分子(fnz)引力作用范圍是半徑為10-9m的球形，球的半徑稱為分子(fnz)作用半徑。 如果以10-9m為半徑作一球面，顯然則只有(zhyu)在這個(gè)球面內(nèi)的分子才對(duì)位于球心上的分子有作用力。液體的表面層液體表面厚度等于分子(fnz)作用半徑的一層。 在表面層內(nèi)液體分子受力的情況跟液體內(nèi)部的液體分子的受力情況有所不同。第3頁(yè)/共39頁(yè)第三頁(yè)，共40頁(yè)。4第4頁(yè)/共39頁(yè)第四頁(yè)，共40頁(yè)。5 為了定義表面張力，我們可以設(shè)想在液面上有一條線段MN，它把液面劃分(hu fn)成1和2兩部份，如下圖所示。 可見(jiàn),位于液體表面層內(nèi)的液體分子都受到了一個(gè)指向液體內(nèi)部的力的作用。在這些力的作用下，液體

3、表面就處于一種(y zhn)特殊的緊張狀態(tài)，在宏觀上表現(xiàn)為一個(gè)被拉緊的彈性薄膜而具有表面張力。第5頁(yè)/共39頁(yè)第五頁(yè)，共40頁(yè)。6第6頁(yè)/共39頁(yè)第六頁(yè)，共40頁(yè)。7 表面張力(biominzhngl)系數(shù)與液體的性質(zhì)和溫度有關(guān)，液體的值還與液體的純凈度有關(guān)。在國(guó)際(guj)單位制中，的單位是（Nm-1）。液體的表面張力系數(shù)，其在數(shù)值上等于沿液體表面作用(zuyng)在分界線單位長(zhǎng)度上的表面張力。 F =L 實(shí)驗(yàn)表明：f1、f2都與液面相切，并與分界線MN相垂直，大小相等，方向相反。而表面張力的大小F是和液面設(shè)想的分界線MN的長(zhǎng)度L成正比的，因此有第7頁(yè)/共39頁(yè)第七頁(yè)，共40頁(yè)。8第8頁(yè)/共

4、39頁(yè)第八頁(yè)，共40頁(yè)。9 液體的表面能增加單位液體表面積所作的功。其又稱為表面自由能，是在等溫條件下能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的表面內(nèi)能(ni nn)部分。這種勢(shì)能是和液面的面積成正比的。 所有位于表面層內(nèi)的液體(yt)分子，都要受到垂直液面并指向液體(yt)內(nèi)部的分子引力的作用。表面層內(nèi)的分子比液體(yt)內(nèi)部的分子具有更多的勢(shì)能。 液體表面張力(biominzhngl)產(chǎn)生的原因，可以用液體分子間相互作用的分子力來(lái)加以解釋。不同的液體，分子間的相互作用力不同。分 子 間 相 互 作 用 力 愈 大 ， 相 應(yīng) 的 表 面 張 力(biominzhngl)系數(shù)就愈大。第9頁(yè)/共39頁(yè)第九頁(yè)，共40頁(yè)。

5、10 2、 表面(biomin)能 從功能關(guān)系來(lái)考察(koch)表面張力系數(shù)與液體表面能的關(guān)系。見(jiàn)圖5-6。 第10頁(yè)/共39頁(yè)第十頁(yè)，共40頁(yè)。11外力(wil)所作的功為 SASE 那么液體表面能的減小可以通過(guò)下面任一種自動(dòng)過(guò)程(guchng)來(lái)實(shí)現(xiàn)：即增加單位(dnwi)液面所增加的勢(shì)能。自動(dòng)減小S； 自動(dòng)減?。?S和兩者都同時(shí)自動(dòng)減小。 由上式可知，在數(shù)值上等于增加單位液面時(shí)外力所作的功，從能量的角度看，其大小等于增加單位液面時(shí)所增加的表面自由能。（Jm-2）第11頁(yè)/共39頁(yè)第十一頁(yè)，共40頁(yè)。12 二、曲面(qmin)下的附加壓強(qiáng)第12頁(yè)/共39頁(yè)第十二頁(yè)，共40頁(yè)。13 如果液面

6、是凹面，如圖（C）所示，表面張力(biominzhngl)的合力將指向液體外部，對(duì)液面下的液體則產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓力。 如果液面是凸面，如圖（b）所示，因表面張力沿周界與液面相切，則沿周界各個(gè)方向的表面張力F將產(chǎn)生一個(gè)指向液體內(nèi)部的合力(hl)（正壓力）。 在圖（a）中，液面是水平的，則表面張力F也是水平的，因此作用在AB周界上的表面張力相互平衡(pnghng)。P0與P產(chǎn)生的壓力也是相互平衡(pnghng)的。第13頁(yè)/共39頁(yè)第十三頁(yè)，共40頁(yè)。14 附加壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)(yugun)呢？下面我們就球形液面的附加壓強(qiáng)進(jìn)行討論。 這種由于液面彎曲，由表面張力所產(chǎn)生(chnshng)的壓強(qiáng)，即彎曲

7、液面內(nèi)外的壓強(qiáng)差叫做附加壓強(qiáng)，以P表示。 與水平液面相比，由于(yuy)液面彎曲，凸液面下的液體的壓強(qiáng)大于液體外部的壓強(qiáng)，凹液面下的液體的壓強(qiáng)小于液體外部的壓強(qiáng)。第14頁(yè)/共39頁(yè)第十四頁(yè)，共40頁(yè)。15第15頁(yè)/共39頁(yè)第十五頁(yè)，共40頁(yè)。16 作用在小面元S周界線(jixin)上的表面張力為 f f 可以(ky)被分解為f和f，由于f與半徑垂直，對(duì)附加壓強(qiáng)不起作用，故不考慮。而f的方向指向(zh xin)液體內(nèi)部，其值為f =l sin=l sin第16頁(yè)/共39頁(yè)第十六頁(yè)，共40頁(yè)。17作用(zuyng)于S整個(gè)周界線即其周長(zhǎng)上的表面張力，指向液體內(nèi)部的分力總和為sin2sin11rlf

8、f以 sin= r / R 代入上式得：Rrf212此力是作用在半徑為的小圓面積上，因此，S曲面對(duì)液體(yt)內(nèi)部 施加的附加壓強(qiáng)為：第17頁(yè)/共39頁(yè)第十七頁(yè)，共40頁(yè)。18RP2此式表明，球形液面的附加壓強(qiáng)(yqing)和表面張力系數(shù)成正比，與曲率半徑R成反比。曲率半徑越小，附加壓強(qiáng)(yqing)越大。如果液面是凸的，曲率(ql)中心在液體內(nèi)部，P取正值，說(shuō)明液面內(nèi)的壓強(qiáng)大于液面外的壓強(qiáng)；上式稱為(chn wi)球形液面的拉普拉斯公式。如果液面是凹的，曲率中心在液體外部，P取負(fù)值，說(shuō)明液面內(nèi)的壓強(qiáng)小于液面外的壓強(qiáng)。第18頁(yè)/共39頁(yè)第十八頁(yè)，共40頁(yè)。19球形液膜內(nèi)外的附加(fji)壓強(qiáng)及

9、實(shí)驗(yàn)：第19頁(yè)/共39頁(yè)第十九頁(yè)，共40頁(yè)。20 RPPAC4 由于液膜具有內(nèi)外兩個(gè)表面，所以球形液膜內(nèi)外的壓強(qiáng)(yqing)差 球膜的附加壓強(qiáng)(yqing)：第20頁(yè)/共39頁(yè)第二十頁(yè)，共40頁(yè)。21第21頁(yè)/共39頁(yè)第二十一頁(yè)，共40頁(yè)。22 一、毛細(xì)現(xiàn)象和氣體(qt)栓塞 （）潤(rùn)濕現(xiàn)象當(dāng)液體和固體接觸(jich)時(shí)，液固界面之間會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象： 、 毛細(xì)現(xiàn)象(mo x xin xing)潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕現(xiàn)象。 第22頁(yè)/共39頁(yè)第二十二頁(yè)，共40頁(yè)。23 潤(rùn)濕(rn sh)和不潤(rùn)濕(rn sh)的差別就在于是內(nèi)聚力小于或大于附著力。 附著力液體(yt)分子和固體分子之間的吸引力。 內(nèi)聚力液體

10、(yt)分子之間的吸引力； 同一種液體，對(duì)不同的固體來(lái)說(shuō)，它可以是潤(rùn)濕的，也可以是不潤(rùn)濕的。潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕現(xiàn)象就是液體和固體接觸處的表面現(xiàn)象。其差別是由液體分子與固體分子之間的相互作用而形成的?？梢杂闷浞肿娱g相互作用力的大小來(lái)解釋。 第23頁(yè)/共39頁(yè)第二十三頁(yè)，共40頁(yè)。24接觸角當(dāng)平衡時(shí)，在固體和液體的界面處，液體表面切面經(jīng)液面內(nèi)部(nib)與固體表面間的夾角。 如果內(nèi)聚力大于附著力，固體上的液滴不會(huì)展開(kāi)，即發(fā)生(fshng)不潤(rùn)濕現(xiàn)象。 其值介于(ji y)80之間，具體由附著力和內(nèi)聚力的大小來(lái)定。 如果內(nèi)聚力小于附著力，固體就被潤(rùn)濕，即發(fā)生潤(rùn)濕現(xiàn)象。第24頁(yè)/共39頁(yè)第二十四頁(yè)，共40頁(yè)

11、。25 第25頁(yè)/共39頁(yè)第二十五頁(yè)，共40頁(yè)。26180 0 時(shí)為完全(wnqun)不潤(rùn)濕。圖5-10（b）表示內(nèi)聚力大于附著力，液體不潤(rùn)濕(rn sh)固體，大于900；圖-10（a）表示附著力大于內(nèi)聚力，固體(gt)被潤(rùn)濕，小于900；時(shí)，液體完全潤(rùn)濕固體。 附著力越大，越小，液體越能潤(rùn)濕固體。第26頁(yè)/共39頁(yè)第二十六頁(yè)，共40頁(yè)。27 毛細(xì)現(xiàn)象 將毛細(xì)管的一端(ydun)插入液體中，若液體潤(rùn)濕管壁時(shí)，管內(nèi)液面上升，液面呈現(xiàn)凹彎月面；若液體不潤(rùn)濕管壁時(shí)，管內(nèi)液面則下降，液面呈現(xiàn)凸彎月面的現(xiàn)象。毛細(xì)管內(nèi)徑(ni jn)小于1mm的管子。（ 2 ） 毛 細(xì) 現(xiàn) 象(mo x xin xin

12、g)第27頁(yè)/共39頁(yè)第二十七頁(yè)，共40頁(yè)。28第28頁(yè)/共39頁(yè)第二十八頁(yè)，共40頁(yè)。29 cos2rgh 上式說(shuō)明，毛細(xì)管中液面上升的高度是與液體(yt)表面張力系數(shù)成正比，而與毛細(xì)管的內(nèi)徑成反比，管徑越細(xì)液面上升越高。 壓強(qiáng)(yqing)差使管內(nèi)液面上升，液面上升的高度 ： 第29頁(yè)/共39頁(yè)第二十九頁(yè)，共40頁(yè)。30 對(duì)于不潤(rùn)濕管壁的液體，在毛細(xì)管內(nèi)的液面是凸的，液面內(nèi)的壓強(qiáng)高于液面外的壓強(qiáng)，管內(nèi)的液面將下降至管外液面之下，其高度差也可用上式計(jì)算(j sun)，此時(shí)接觸角/2，故所得h為負(fù)，表示管中液面下降。 氣體栓塞(shuns)液體在細(xì)管中流動(dòng)時(shí),如果管中有氣泡,液體的液動(dòng)就將受到

13、阻礙,氣泡多時(shí)就可發(fā)生阻塞的現(xiàn)象。1、 氣體(qt)栓塞第30頁(yè)/共39頁(yè)第三十頁(yè)，共40頁(yè)。31 第31頁(yè)/共39頁(yè)第三十一頁(yè)，共40頁(yè)。32 四、 表面(biomin)活性物質(zhì)與表面(biomin)吸附 表面(biomin)非活性物質(zhì)凡是能夠增大溶液表面(biomin)張力的物質(zhì)。表 面 活 性 物 質(zhì) 凡 是 能 夠 降 低(jingd)溶液表面張力的物質(zhì)。其特點(diǎn)：是它的較大，即單位面積上的表面能較純?nèi)軇┑谋砻婺艽?。其特點(diǎn)：是它的較小，即單位面積上的表面能較純?nèi)軇┑谋砻婺苄?。?2頁(yè)/共39頁(yè)第三十二頁(yè)，共40頁(yè)。33 表面吸附(xf)表面活性物質(zhì)在溶液的表面層聚集并伸展成薄膜的現(xiàn)象。其

14、特點(diǎn)(tdin)：溶質(zhì)分子（表面活性物質(zhì))與溶劑分子間的吸引力小于溶劑分子間的吸引力。1 、 表 面 活 性 物 質(zhì)(wzh)從溶質(zhì)分子和溶劑分子間的相互作用來(lái)看：第33頁(yè)/共39頁(yè)第三十三頁(yè)，共40頁(yè)。34 2、 表面(biomin)非活性物質(zhì) 表面活性物質(zhì)(wzh)在呼吸過(guò)程中起著重要的作用： 3、肺泡(fipo)的表面張力其特點(diǎn)：溶質(zhì)分子（表面活性物質(zhì)）與溶劑分子間的吸引力大于溶劑分子間的吸引力。1、穩(wěn)定肺泡；2、減少呼吸功。第34頁(yè)/共39頁(yè)第三十四頁(yè)，共40頁(yè)。35第35頁(yè)/共39頁(yè)第三十五頁(yè)，共40頁(yè)。36肺泡的表面液層中分布著有一定量的、由飽和(boh)卵磷脂和脂蛋白組成的表面活

15、性物質(zhì)，起降低表面張力系數(shù)的作用。而對(duì)于肺充氣來(lái)說(shuō)，大部分壓力(yl)是來(lái)克服表面張力的。在充滿空氣的肺中，既有肺組織的彈性力，又有襯在肺泡表面(biomin)液層組成的氣、液界面上的表面(biomin)張力。人的肺泡總數(shù)約為3億個(gè)，各個(gè)肺泡的大小不一，而且有些肺泡是相連的。 第36頁(yè)/共39頁(yè)第三十六頁(yè)，共40頁(yè)。37呼氣時(shí)，肺泡體積減小，單體面積上的表面活性物質(zhì)的量增多，減小了肺泡的表面張力系數(shù)，即減小了表面張力，從而(cng r)防止了肺泡的過(guò)分萎縮。吸氣時(shí)，肺泡體積增大，而表面活性物質(zhì)的量不變，故單位面積上的表面活性物質(zhì)的量隨體積增大而減小，結(jié)果使肺泡的表面張力系數(shù)增大，即增大了表面張力，從而限制了肺泡的繼續(xù)(jx)膨脹；第37頁(yè)/共39頁(yè)第三十七頁(yè)，共40頁(yè)。38實(shí)驗(yàn)表明，正常呼氣后，肺泡(fipo)通常穩(wěn)定在它最大尺寸的1/4，即肺內(nèi)還有余氣，這使接下來(lái)的吸氣變得容易一些。 肺泡上表面活性物質(zhì)對(duì)表面張力(biominzhngl)系數(shù)的