表面張力幻實用教案

1、1 表面張力產生的原因，可以用分子間相互作用的分子力來加以(jiy)解釋。 液體具有(jyu)收縮其表面，使表面積達到最小的趨勢。這說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/共39頁第一頁，共40頁。2 而當分子(fnz)間的距離大于10-9m時，引力很快趨于零。 當兩分子間的距離(jl)大于r0而在10-1010-9m時，分子間的作用力表現為引力; 當兩個(lin )分子間的距離 r = r0 時，分子間的作用力為零。 分子間的平衡距離r0的數量級約為10-10m。第2頁/共39頁第二頁，共40頁。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)在這個球面內的分子才對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。 在表面層內液體分子受力的情況跟液體內部的液體分子的受力情況有所不同。第3頁/共39頁第三頁，共40頁。4第4頁/共39頁第四頁，共40頁。5 為了定義表面張力，我們可以設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,位于液體表面層內的液體分子都受到了一個指向液體內部的力的作用。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)，在宏觀上表現為一個被拉緊的彈性薄膜而具有表面張力。第5頁/共39頁第五頁，共40頁。6第6頁/共39頁第六頁，共40頁。7 表面張力(biominzhngl)系數與液體的性質和溫度有關，液體的值還與液體的純凈度有關。在國際(guj)單位制中，的單位是（Nm-1）。液體的表面張力系數，其在數值上等于沿液體表面作用(zuyng)在分界線單位長度上的表面張力。 F =L 實驗表明：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是和液面設想的分界線MN的長度L成正比的，因此有第7頁/共39頁第七頁，共40頁。8第8頁/共

4、39頁第八頁，共40頁。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變?yōu)闄C械能的表面內能(ni nn)部分。這種勢能是和液面的面積成正比的。 所有位于表面層內的液體(yt)分子，都要受到垂直液面并指向液體(yt)內部的分子引力的作用。表面層內的分子比液體(yt)內部的分子具有更多的勢能。 液體表面張力(biominzhngl)產生的原因，可以用液體分子間相互作用的分子力來加以解釋。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 的 表 面 張 力(biominzhngl)系數就愈大。第9頁/共39頁第九頁，共40頁。

5、10 2、 表面(biomin)能 從功能關系來考察(koch)表面張力系數與液體表面能的關系。見圖5-6。 第10頁/共39頁第十頁，共40頁。11外力(wil)所作的功為 SASE 那么液體表面能的減小可以通過下面任一種自動過程(guchng)來實現：即增加單位(dnwi)液面所增加的勢能。自動減小S； 自動減??； S和兩者都同時自動減小。 由上式可知，在數值上等于增加單位液面時外力所作的功，從能量的角度看，其大小等于增加單位液面時所增加的表面自由能。（Jm-2）第11頁/共39頁第十一頁，共40頁。12 二、曲面(qmin)下的附加壓強第12頁/共39頁第十二頁，共40頁。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，對液面下的液體則產生一個負壓力。 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，則沿周界各個方向的表面張力F將產生一個指向液體內部的合力(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產生的壓力也是相互平衡(pnghng)的。第13頁/共39頁第十三頁，共40頁。14 附加壓強與哪些因素有關(yugun)呢？下面我們就球形液面的附加壓強進行討論。 這種由于液面彎曲，由表面張力所產生(chnshng)的壓強，即彎曲

7、液面內外的壓強差叫做附加壓強，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大于液體外部的壓強，凹液面下的液體的壓強小于液體外部的壓強。第14頁/共39頁第十四頁，共40頁。15第15頁/共39頁第十五頁，共40頁。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，對附加壓強不起作用，故不考慮。而f的方向指向(zh xin)液體內部，其值為f =l sin=l sin第16頁/共39頁第十六頁，共40頁。17作用(zuyng)于S整個周界線即其周長上的表面張力，指向液體內部的分力總和為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曲面對液體(yt)內部 施加的附加壓強為：第17頁/共39頁第十七頁，共40頁。18RP2此式表明，球形液面的附加壓強(yqing)和表面張力系數成正比，與曲率半徑R成反比。曲率半徑越小，附加壓強(yqing)越大。如果液面是凸的，曲率(ql)中心在液體內部，P取正值，說明液面內的壓強大于液面外的壓強；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取負值，說明液面內的壓強小于液面外的壓強。第18頁/共39頁第十八頁，共40頁。19球形液膜內外的附加(fji)壓強及

9、實驗：第19頁/共39頁第十九頁，共40頁。20 RPPAC4 由于液膜具有內外兩個表面，所以球形液膜內外的壓強(yqing)差 球膜的附加壓強(yqing)：第20頁/共39頁第二十頁，共40頁。21第21頁/共39頁第二十一頁，共40頁。22 一、毛細現象和氣體(qt)栓塞 （）潤濕現象當液體和固體接觸(jich)時，液固界面之間會出現兩種現象： 、 毛細現象(mo x xin xing)潤濕和不潤濕現象。 第22頁/共39頁第二十二頁，共40頁。23 潤濕(rn sh)和不潤濕(rn sh)的差別就在于是內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。 內聚力液體

10、(yt)分子之間的吸引力； 同一種液體，對不同的固體來說，它可以是潤濕的，也可以是不潤濕的。潤濕和不潤濕現象就是液體和固體接觸處的表面現象。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解釋。 第23頁/共39頁第二十三頁，共40頁。24接觸角當平衡時，在固體和液體的界面處，液體表面切面經液面內部(nib)與固體表面間的夾角。 如果內聚力大于附著力，固體上的液滴不會展開，即發(fā)生(fshng)不潤濕現象。 其值介于(ji y)80之間，具體由附著力和內聚力的大小來定。 如果內聚力小于附著力，固體就被潤濕，即發(fā)生潤濕現象。第24頁/共39頁第二十四頁，共40頁

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

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

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

14、特點(tdin)：溶質分子（表面活性物質)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(wzh)從溶質分子和溶劑分子間的相互作用來看：第33頁/共39頁第三十三頁，共40頁。34 2、 表面(biomin)非活性物質 表面活性物質(wzh)在呼吸過程中起著重要的作用： 3、肺泡(fipo)的表面張力其特點：溶質分子（表面活性物質）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/共39頁第三十四頁，共40頁。35第35頁/共39頁第三十五頁，共40頁。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，起降低表面張力系數的作用。而對于肺充氣來說，大部分壓力(yl)是來克服表面張力的。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。人的肺泡總數約為3億個，各個肺泡的大小不一，而且有些肺泡是相連的。 第36頁/共39頁第三十六頁，共40頁。37呼氣時，肺泡體積減小，單體面積上的表面活性物質的量增多，減小了肺泡的表面張力系數，即減小了表面張力，從而(cng r)防止了肺泡的過分萎縮。吸氣時，肺泡體積增大，而表面活性物質的量不變，故單位面積上的表面活性物質的量隨體積增大而減小，結果使肺泡的表面張力系數增大，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/共39頁第三十七頁，共40頁。38實驗表明，正常呼氣后，肺泡(fipo)通常穩(wěn)定在它最大尺寸的1/4，即肺內還有余氣，這使接下來的吸氣變得容易一些。 肺泡上表面活性物質對表面張力(biominzhngl)系數的