1、目目 录录一、液体的表面现象一、液体的表面现象二、液体的表面张力二、液体的表面张力三、液体的表面能与表面收缩三、液体的表面能与表面收缩 研究的意义研究的意义 液体在生物体内及其周围环境中占有很重要的地位液体在生物体内及其周围环境中占有很重要的地位 液体的主要特征液体的主要特征 它和空气接触有一个自由表面，它和空气接触有一个自由表面， 和固体接触处有一个附着层，因而和固体接触处有一个附着层，因而 表现出一系列表面现象。表现出一系列表面现象。 研究的角度研究的角度 分子运动的角度解释研究宏观问题分子运动的角度解释研究宏观问题 分子热力学分子热力学 现象展示现象展示浮在水面上的昆虫浮在水面上的昆虫
2、肥皂膜收缩把线拉成一个弧形 线被绷紧 总之:液体表面有收缩到最小的趋势，这种使液体表面收缩的力称为表面张力。 注: 不仅在周界上有表面张力存在, 而且在液面上的任何地方都有表面张力存在, 否则液面将无法收缩1、液体的表面层、液体的表面层 2、定性了解表面张力、定性了解表面张力3、表面张力系数、表面张力系数是一个重要值是一个重要值表面张力表面张力分子力分子力r0X斥力引力液体分子间表现出相互的吸引力，这是液体分子间表现出相互的吸引力，这是液体分液体分子聚集的主要原因子聚集的主要原因 再看分子力再看分子力分子力作用半径分子力作用半径能够发生作用的最大分子间距能够发生作用的最大分子间距 Re以以Re
3、为半径的圆球内的为半径的圆球内的所有分子都能对所有分子都能对中心中心分分子产生作用力子产生作用力 Re分子力作用球分子力作用球立体的球立体的球液体表面层液体表面层将液面下将液面下Re厚的液体层定义为液体表面层。厚的液体层定义为液体表面层。 Re注：注： 1）液体表面层并不是一）液体表面层并不是一个几何面，而是一个个几何面，而是一个厚厚Re的薄层；的薄层；2）当液面增大时，表面）当液面增大时，表面 层中的分子数增多层中的分子数增多 5、液体分子受力情况（不计重力）、液体分子受力情况（不计重力）ReABCReReReReABCReReRe合引力：合引力：0该力总是力图使表层分子往液体内该力总是力图
4、使表层分子往液体内部走，而液体是不易压缩的，于是部走，而液体是不易压缩的，于是表面有收缩的趋势表面有收缩的趋势 回回定性了解表面张力定性了解表面张力F1、F F2大小等方向反，大小等方向反，与与MN界相垂直，与界相垂直，与液面相切液面相切 不考虑边界效应不考虑边界效应 注注 A）、）、F F1、F F2是大量分子宏观作用的结果；是大量分子宏观作用的结果； B）、）、这种液体表面层各部分之间的拉力，称这种液体表面层各部分之间的拉力，称 为表面张力；为表面张力；C）、）、要区分表面张力与前部分所讲液体表面层要区分表面张力与前部分所讲液体表面层 中分子的受力；中分子的受力；表面张力：是表面层上分子的
5、宏观力效果，与液表面张力：是表面层上分子的宏观力效果，与液 面相切面相切液体表层中分子受力：是表面分子受到的指向液液体表层中分子受力：是表面分子受到的指向液 体内部的不平衡力。体内部的不平衡力。回回定义定义1（从表面张力角度）：（从表面张力角度）： 设想某一分界限上的张力设想某一分界限上的张力f，它与边它与边界长界长L成正比成正比 f= L 表面张力系数表面张力系数 fL表示在分界线上单位长度的表面张力表示在分界线上单位长度的表面张力 SI： N/m将在实验室中测量将在实验室中测量fAfBAB表面张力的方向： 与分界线垂直并与液体表面相切。表面张力大小： FL定义定义2（从作功的角度）（从作功
6、的角度）AB边可以沿框自由滑动，作用在边可以沿框自由滑动，作用在AB边上的张力为边上的张力为f fAB=L ABCD中是皂膜中是皂膜 f=2 L 要保持膜平衡，则应加一平衡力要保持膜平衡，则应加一平衡力F ABx 做功：做功：A=F XAS =2LX=SdAdS或注注 1）S=2LX 表示移动过程中增加的液表示移动过程中增加的液 面，此例中为双层；面，此例中为双层；( (如吹泡如吹泡) ) 2）定义：在等温条件下，表面张力系数）定义：在等温条件下，表面张力系数等等 于增加单位表面积时外力所作的功。于增加单位表面积时外力所作的功。 3）SI： J/m2AS液体 温度（0C） 表面张力系数 (10
7、-3N/m) 酒精2022.3肥皂水 2025.0 苯 2028.9 水1873水银18490液态铅335473常见液体的表面张力系数常见液体的表面张力系数 液液 體體溫溫 度度 ( C)張力張力系数系数（103Nm液液 體體溫溫 度度 ( C)張力張力系数系数（103Nm水水076.1酒酒 精精5019.8水水1074.2乙乙 醚醚2016.5水水2572.0甘甘 油油2063.4水水6066.2石石 油油2026.0水水10058.9水水 銀銀20465.0酒酒 精精0024.0橄欖油橄欖油2032.0酒酒 精精2022.3 常見液體的表面張力常見液體的表面張力系数系数与与相关的因素至少一
8、般有相关的因素至少一般有1）液体自身的性质）液体自身的性质 小，易蒸发的液体，小，易蒸发的液体，小；小； 大，不易蒸发的液体，大，不易蒸发的液体，大大2）温度：同一种液体，）温度：同一种液体，随温度的升高而减小，随温度的升高而减小， 当当0时，对应临界温度时，对应临界温度 注：水在注：水在1000时，时，5910-3 N/m（书（书P129表表7-1）理解理解 3）相邻的物质）相邻的物质 接触面上的介质要对其产生影响接触面上的介质要对其产生影响 4）杂质：）杂质： 加入杂质可明显改变表面张力加入杂质可明显改变表面张力 在液体中加入杂质能显著地在液体中加入杂质能显著地减小减小这种液体的表这种液体
9、的表面张力系数，则称这种这种物质为这种液体的面张力系数，则称这种这种物质为这种液体的表面活性物质。表面活性物质。 20下，水中溶有肥皂，表面张力系数将从下，水中溶有肥皂，表面张力系数将从72.7510-3Nm，减至减至4010-3Nm） 关于肺泡关于肺泡小于小于10-4米的小襄米的小襄 内壁上有粘液层内壁上有粘液层 正常吸气时，肺内气压低于大气压约正常吸气时，肺内气压低于大气压约3mmHg （氧与血中的二氧化碳进行交换（氧与血中的二氧化碳进行交换 ）肺泡半径大约要从肺泡半径大约要从0.510-4m 扩大到扩大到110-4m 应用理解应用理解 粘液带给肺泡的张力系数正常时粘液带给肺泡的张力系数正
10、常时约为约为0.05N/m 使肺泡收缩的趋势使肺泡收缩的趋势. 扩张肺泡扩张肺泡 肺泡的弹性回力肺泡的弹性回力 液膜的表面张力回缩液膜的表面张力回缩 肺没有横纹肌肺没有横纹肌 横隔膜的上下动来调节胸横隔膜的上下动来调节胸腔的空间腔的空间 肺泡壁分泌肺泡壁分泌 表面活化剂表面活化剂(卵磷脂卵磷脂) 活化剂浓度大活化剂浓度大 小，易扩张小，易扩张 肺泡较大后，表面活化剂浓度降低肺泡较大后，表面活化剂浓度降低 增大，则抑制扩张至平衡点为止增大，则抑制扩张至平衡点为止 第一次扩张肺泡，所需压强差达第一次扩张肺泡，所需压强差达30mmHg 回顾：回顾：一物体一物体A从高点自由下落到低点时从高点自由下落到
11、低点时，其其动能、势能如何改变？动能、势能如何改变？A顺着力的方向，顺着力的方向，势能会减小势能会减小 Re克服力作功才能成功，其结果是，进入表面层克服力作功才能成功，其结果是，进入表面层后，这一分子势能增加。后，这一分子势能增加。定义定义 表面层中所有分子高出液体内部分子的那部分势表面层中所有分子高出液体内部分子的那部分势能的总和，叫液体的表面能（也叫表面自由能）能的总和，叫液体的表面能（也叫表面自由能）注：注： 1）表面能表述的是宏观性质，而不是某一分子的）表面能表述的是宏观性质，而不是某一分子的 势能；势能；2）液体的表面积越大，表面能越大；）液体的表面积越大，表面能越大； 3）任何一个
12、系统，当它处于稳定状态时，势能）任何一个系统，当它处于稳定状态时，势能 应最小。（站立与躺下）应最小。（站立与躺下） 总之总之,对于液体系统，在液面静止的情况下，对于液体系统，在液面静止的情况下，应具有最小的表面能，要减小表面能，则应具有最小的表面能，要减小表面能，则应减小表面积，液体往中间走，故在宏观上，应减小表面积，液体往中间走，故在宏观上，液体表面有收缩的趋势。液体表面有收缩的趋势。由于液体体积一定，而液体又极难压缩，由于液体体积一定，而液体又极难压缩，因此表面收缩的结果是使液面呈紧张状态因此表面收缩的结果是使液面呈紧张状态（类似有一薄膜），于是出现表面张力（类似有一薄膜），于是出现表面
13、张力 ES 小结：表面张力系数的定义小结：表面张力系数的定义fL定义定义1：定义定义2：AS定义定义3：ES实质是一样的实质是一样的P129例题例题1：试求当许多半径为试求当许多半径为r的小水滴融合成一个半径的小水滴融合成一个半径为为R的大水滴时释放出的能量，假设水滴呈的大水滴时释放出的能量，假设水滴呈球状，水的表面张力系数球状，水的表面张力系数在此过程中保持在此过程中保持不变。不变。 解：设小水滴的数目为解：设小水滴的数目为N，融合过程中释放出，融合过程中释放出的能量为水滴表面积减小时所减小的表面能的能量为水滴表面积减小时所减小的表面能 融合前后水滴的总体积保持不变融合前后水滴的总体积保持不
14、变 343r N343R其中其中33RNr22(44)Er NRES 24(1)RRr 类似: 欲使1.010-3kg质量的油在水内散布成半径r=10-6m的小油滴, 需要作多少功? 散布过程视为等温。已知水和油边界的表面张力系数=1.810-2N/m，油密度=900kg /m3。解：一个大油滴等温地散布成大量小油滴时，能量仅消耗在增加的表面积上，因此所需作功为AS式中S是所增加的表面积。设n是小油滴数目，r和R分别为小、大油滴的半径，则)(422RnrS因为过程中油的质量不变，故有3323233343) 1(43434rmnnrnSrRnrnRm由此得所以小油滴数n为因为1与n1/3比较可以忽略, 最后求得JrmW2100 . 63 同一种液体，温度升高时液体的表面张力系数一般是- (A) 增大 (B) 减小 (C) 不变思考：
