1、1 第七章第七章 分子动理论分子动理论第五节第五节 液体的表面现象液体的表面现象一、一、 液体的界面液体的界面液体与气体的液体与气体的差别差别气体分子间的气体分子间的距离通常较大，而液体分子间的距离距离通常较大，而液体分子间的距离缩短了，分子力的作用显著增加，液缩短了，分子力的作用显著增加，液体分子由于互相吸引，表现出气体分体分子由于互相吸引，表现出气体分子所没有的子所没有的内聚力内聚力和和自由表面自由表面。2 在液体的表面，无论是在液体与空在液体的表面，无论是在液体与空气之间的自由表面，或是在两种不能混气之间的自由表面，或是在两种不能混合的液体之间的界面，或是在液体与固合的液体之间的界面，或
2、是在液体与固体之间的界面，各个方向的物理性质就体之间的界面，各个方向的物理性质就不相同，即不相同，即各向异性各向异性。 在液体内部由于分子的紊乱运动，在液体内部由于分子的紊乱运动，液体在各个方向的物理性质都是完全液体在各个方向的物理性质都是完全相同的，即相同的，即各向同性各向同性。液体区别于气体的液体区别于气体的主要特征之一主要特征之一：是它：是它和空气接触处有一个和空气接触处有一个自由表面自由表面，和固体、，和固体、器官组织接触处有一个器官组织接触处有一个附着层附着层。3 表面张力产生的原因，可以用分表面张力产生的原因，可以用分子间相互作用的分子力来加以解释。子间相互作用的分子力来加以解释。
3、 液体具有收缩其表面，使表面积液体具有收缩其表面，使表面积达到最小的趋势。这说明液体表面存达到最小的趋势。这说明液体表面存在着张力，这种张力称为表面张力。在着张力，这种张力称为表面张力。 1、 表面张力表面张力一、一、 表面张力和表面能表面张力和表面能 4 而当分子间的距离大于而当分子间的距离大于10-9m时，时，引力很快趋于零。引力很快趋于零。 当两分子间的距离大于当两分子间的距离大于r0而在而在10-1010-9m时，分子间的作用力表现为引力时，分子间的作用力表现为引力; 当两个分子间的距离当两个分子间的距离 r = r0 时，分时，分子间的作用力为零。子间的作用力为零。 分子间的平衡距离
4、分子间的平衡距离r0的数量级约的数量级约为为10-10m。5分子作用球分子作用球分子引力作用范围是分子引力作用范围是半径为半径为10-9m的球形，球的半径称为分的球形，球的半径称为分子作用半径。子作用半径。 如果以如果以10-9m为半径作一球面，为半径作一球面，显然则只有在这个球面内的分子才显然则只有在这个球面内的分子才对位于球心上的分子有作用力。对位于球心上的分子有作用力。液体的表面层液体的表面层液体表面厚度等于液体表面厚度等于分子作用半径的一层。分子作用半径的一层。 在表面层内液体分子受力的情况在表面层内液体分子受力的情况跟液体内部的液体分子的受力情况有跟液体内部的液体分子的受力情况有所不
5、同。所不同。67 为了定义表面张力，我们可以设为了定义表面张力，我们可以设想在液面上有一条线段想在液面上有一条线段MN，它把液，它把液面划分成面划分成1和和2两部份，如下图所示。两部份，如下图所示。 可见可见,位于液体表面层内的液位于液体表面层内的液体分子都受到了一个指向液体内部体分子都受到了一个指向液体内部的力的作用。在这些力的作用下，的力的作用。在这些力的作用下，液体表面就处于一种液体表面就处于一种特殊的紧张状特殊的紧张状态态，在宏观上表现为一个被拉紧的，在宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有表面张力。弹性薄膜而具有表面张力。89 表面张力系数表面张力系数与液体的性质和温度有关，与液体的
6、性质和温度有关，液体的液体的值还与液体的纯净度有关。值还与液体的纯净度有关。在国际单位制中，在国际单位制中，的单位是（的单位是（Nm-1）。）。液体的液体的表面张力系数表面张力系数，其在数值上，其在数值上等于沿液体表面作用在分界线等于沿液体表面作用在分界线单位长度单位长度上上的表面张力。的表面张力。 F =L 实验表明：实验表明：f1、f2都与液面相切，并都与液面相切，并与分界线与分界线MN相垂直，大小相等，方向相垂直，大小相等，方向相反。而表面张力的大小相反。而表面张力的大小F是和液面设想是和液面设想的分界线的分界线MN的长度的长度L成正比的，因此有成正比的，因此有1011 液体的液体的表面
7、能表面能增加单位液体表面积所增加单位液体表面积所作的作的功。其又称为表面自由能，是在等温功。其又称为表面自由能，是在等温条件下能转变为机械能的表面内能部分。条件下能转变为机械能的表面内能部分。这种势能是和液面的面积成正比的。这种势能是和液面的面积成正比的。 所有位于表面层内的液体分子，都要受所有位于表面层内的液体分子，都要受到垂直液面并指向液体内部的分子引力的作到垂直液面并指向液体内部的分子引力的作用。表面层内的分子比液体内部的分子具有用。表面层内的分子比液体内部的分子具有更多的势能。更多的势能。 液体表面张力产生的原因，可以用液体分液体表面张力产生的原因，可以用液体分子间相互作用的分子力来加
8、以解释。不同的液子间相互作用的分子力来加以解释。不同的液体，分子间的相互作用力不同。分子间相互作体，分子间的相互作用力不同。分子间相互作用力愈大，相应的表面张力系数就愈大。用力愈大，相应的表面张力系数就愈大。12 2、 表面能表面能 从功能关系来考察表面张力系数与液从功能关系来考察表面张力系数与液体表面能的关系。见图体表面能的关系。见图5-6。 13外力所作的功为外力所作的功为 SASE 那么液体表面能的减小可以通过下面任那么液体表面能的减小可以通过下面任一种自动过程来实现：一种自动过程来实现：即增加单位液面所增加的势能。即增加单位液面所增加的势能。自动减小自动减小S； 自动减小自动减小； S
9、和和两者都同时自动减小。两者都同时自动减小。 由上式可知，由上式可知，在数值上等于增加单位液在数值上等于增加单位液面时外力所作的功，从能量的角度看，其大小面时外力所作的功，从能量的角度看，其大小等于增加单位液面时所增加的表面自由能。等于增加单位液面时所增加的表面自由能。（Jm-2）14 二、曲面下的附加压强二、曲面下的附加压强15 如果液面是凹面，如图（如果液面是凹面，如图（C）所示，）所示，表面张力的合力将指向液体外部，对液表面张力的合力将指向液体外部，对液面下的液体则产生一个负压力。面下的液体则产生一个负压力。 如果液面是凸面，如图（如果液面是凸面，如图（b）所示，）所示，因表面张力沿周界
10、与液面相切，则沿周因表面张力沿周界与液面相切，则沿周界各个方向的表面张力界各个方向的表面张力F将产生一个指向将产生一个指向液体内部的合力（正压力）。液体内部的合力（正压力）。 在图（在图（a）中，液面是水平的，则）中，液面是水平的，则表面张力表面张力F也是水平的，因此作用在也是水平的，因此作用在AB周界上的表面张力相互平衡。周界上的表面张力相互平衡。P0与与P产产生的压力也是相互平衡的。生的压力也是相互平衡的。16 附加压强与哪些因素有关呢？下面附加压强与哪些因素有关呢？下面我们就球形液面的附加压强进行讨论。我们就球形液面的附加压强进行讨论。 这种由于液面弯曲，由表面张力这种由于液面弯曲，由表
11、面张力所产生的压强，即弯曲液面内外的压所产生的压强，即弯曲液面内外的压强差叫做强差叫做附加压强附加压强，以，以P表示。表示。 与水平液面相比，由于液面弯曲，与水平液面相比，由于液面弯曲，凸液面下的液体的压强大于液体外部凸液面下的液体的压强大于液体外部的压强，凹液面下的液体的压强小于的压强，凹液面下的液体的压强小于液体外部的压强。液体外部的压强。1718 作用在小面元作用在小面元S周界线周界线上的表面上的表面张力为张力为 f f 可以被分解为可以被分解为f和和f，由于，由于f与与半径垂直，对附加压强不起作用，半径垂直，对附加压强不起作用，故不考虑。故不考虑。而而f的方向指向液体内部，其值为的方向
12、指向液体内部，其值为f =l sin=l sin19作用于作用于S整个周界线即其周长上的整个周界线即其周长上的表面张力，指向液体内部的分力总和为表面张力，指向液体内部的分力总和为sin2sin11rlff以以 sin= r / R 代入上式得：代入上式得：Rrf212此力是作用在半径为此力是作用在半径为的小圆面积上，的小圆面积上，因此，因此，S曲面对液体内部曲面对液体内部 施加的附加压施加的附加压强为：强为：20RP2此式表明，球形液面的附加压强和表面张力此式表明，球形液面的附加压强和表面张力系数成正比，与曲率半径系数成正比，与曲率半径R成反比。曲率半成反比。曲率半径越小，附加压强越大。径越小
13、，附加压强越大。如果液面是凸的，曲率中心在液体内部，如果液面是凸的，曲率中心在液体内部，P取取正值，说明液面内的压强大于液面外的压强；正值，说明液面内的压强大于液面外的压强；上式称为上式称为球形液面的拉普拉斯公式球形液面的拉普拉斯公式。如果液面是凹的，曲率中心在液体外部，如果液面是凹的，曲率中心在液体外部，P取取负值，说明液面内的压强小于液面外的压强。负值，说明液面内的压强小于液面外的压强。21球形液膜内外的附加压强及实验球形液膜内外的附加压强及实验：22 RPPAC4 由于液膜具有内外两个表面，由于液膜具有内外两个表面，所以球形液膜内外的压强差所以球形液膜内外的压强差 球膜的附加压强：球膜的
14、附加压强：2324 一、毛细现象和气体栓塞一、毛细现象和气体栓塞 （）润湿现象当液体和固体接触（）润湿现象当液体和固体接触时，液固界面之间会出现两种现象：时，液固界面之间会出现两种现象： 、 毛细现象毛细现象润湿和不润湿现象。润湿和不润湿现象。 25 润湿和不润湿的差别就在于是内聚润湿和不润湿的差别就在于是内聚力小于或大于附着力。力小于或大于附着力。 附着力附着力液体分子和固体分子之间液体分子和固体分子之间的吸引力。的吸引力。 内聚力内聚力液体分子之间的吸引力；液体分子之间的吸引力； 同一种液体，对不同的固体来说，同一种液体，对不同的固体来说，它可以是润湿的，也可以是不润湿的。它可以是润湿的，
15、也可以是不润湿的。润湿和不润湿现象就是液体和固体接触润湿和不润湿现象就是液体和固体接触处的表面现象。处的表面现象。其差别其差别是由液体分子与是由液体分子与固体分子之间的相互作用而形成的。可固体分子之间的相互作用而形成的。可以用其分子间相互作用力的大小来解释。以用其分子间相互作用力的大小来解释。 26接触角接触角当平衡时，在固体和液当平衡时，在固体和液体的界面处，液体表面切面经液面内部体的界面处，液体表面切面经液面内部与固体表面间的夹角。与固体表面间的夹角。 如果内聚力大于附着力，固体上的如果内聚力大于附着力，固体上的液滴不会展开，即发生不润湿现象。液滴不会展开，即发生不润湿现象。 其值介于其值
16、介于80之间，具体之间，具体由附着力和内聚力的大小来定。由附着力和内聚力的大小来定。 如果内聚力小于附着力，固体就被如果内聚力小于附着力，固体就被润湿，即发生润湿现象。润湿，即发生润湿现象。27 28180 0 时为完全不润湿。时为完全不润湿。图图5-10（b）表示内聚力大于附着力，液）表示内聚力大于附着力，液体不润湿固体，体不润湿固体，大于大于900；图图-10（a）表示附着力大于内聚力，）表示附着力大于内聚力，固体被润湿，固体被润湿，小于小于900；时，液体完全润湿固体。时，液体完全润湿固体。 附着力越大，附着力越大，越小，液体越能润湿越小，液体越能润湿固体。固体。29 毛细现象毛细现象
17、将毛细管的一端插将毛细管的一端插入液体中，若液体润湿管壁时，管入液体中，若液体润湿管壁时，管内液面上升，液面呈现内液面上升，液面呈现凹弯月面凹弯月面；若液体不润湿管壁时，管内液面则若液体不润湿管壁时，管内液面则下降，液面呈现下降，液面呈现凸弯月面凸弯月面的现象。的现象。毛细管毛细管内径小于内径小于1mm的管子。的管子。（2）毛细现象）毛细现象3031 cos2rgh 上式说明，毛细管中液面上升的高度是上式说明，毛细管中液面上升的高度是与液体表面张力系数成正比，而与毛细与液体表面张力系数成正比，而与毛细管的内径成反比，管径越细液面上升越管的内径成反比，管径越细液面上升越高。高。 压强差使管内液面
18、上升，液面上升压强差使管内液面上升，液面上升的高度的高度 ： 32 对于不润湿管壁的液体，在毛细管对于不润湿管壁的液体，在毛细管内的液面是凸的，液面内的压强高于液内的液面是凸的，液面内的压强高于液面外的压强，管内的液面将下降至管外面外的压强，管内的液面将下降至管外液面之下，其高度差也可用上式计算，液面之下，其高度差也可用上式计算，此时接触角此时接触角/2，故所得，故所得h为负，表示为负，表示管中液面下降。管中液面下降。 气体栓塞气体栓塞液体在细管中流动时液体在细管中流动时,如如果管中有气泡果管中有气泡,液体的液动就将受到阻液体的液动就将受到阻碍碍,气泡多时就可发生阻塞的现象。气泡多时就可发生阻
19、塞的现象。1、 气体栓塞气体栓塞33 34 四、四、 表面活性物质与表面吸附表面活性物质与表面吸附 表面非活性物质表面非活性物质凡是能够增大溶液凡是能够增大溶液表面张力的物质。表面张力的物质。表面活性物质表面活性物质凡是能够降低溶液凡是能够降低溶液表面张力的物质。表面张力的物质。其特点其特点：是它的：是它的较大，即单位面积上较大，即单位面积上的表面能较纯溶剂的表面能大。的表面能较纯溶剂的表面能大。其特点其特点：是它的：是它的较小，即单位面积上较小，即单位面积上的表面能较纯溶剂的表面能小。的表面能较纯溶剂的表面能小。35 表面吸附表面吸附表面活性物质在溶表面活性物质在溶液的表面层聚集并伸展成薄膜
20、的液的表面层聚集并伸展成薄膜的现象。现象。其特点：其特点：溶质分子（表面活性物溶质分子（表面活性物质质)与溶剂分子间的吸引力与溶剂分子间的吸引力小于小于溶溶剂分子间的吸引力。剂分子间的吸引力。1、表面活性物质、表面活性物质从溶质分子和溶剂分子间的相互作从溶质分子和溶剂分子间的相互作用来看：用来看：36 2、 表面非活性物质表面非活性物质 表面活性物质在呼吸过程中起着重要表面活性物质在呼吸过程中起着重要的作用：的作用： 3、肺泡的表面张力肺泡的表面张力其特点：溶质分子（表面活性物质）其特点：溶质分子（表面活性物质）与溶剂分子间的吸引力与溶剂分子间的吸引力大于大于溶剂分子溶剂分子间的吸引力。间的吸
21、引力。1、稳定肺泡；、稳定肺泡；2、减少呼吸功。、减少呼吸功。3738肺泡的表面液层中分布着有一定量的、肺泡的表面液层中分布着有一定量的、由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性物质，起降低表面张力系数的作用。物质，起降低表面张力系数的作用。而对于肺充气来说，大部分压力是来而对于肺充气来说，大部分压力是来克服表面张力的。克服表面张力的。在充满空气的肺中，既有肺组织的弹在充满空气的肺中，既有肺组织的弹性力，又有衬在肺泡表面液层组成的性力，又有衬在肺泡表面液层组成的气、液界面上的表面张力。气、液界面上的表面张力。人的肺泡总数约为人的肺泡总数约为3亿个，各个肺泡的亿个，各
22、个肺泡的大小不一，而且有些肺泡是相连的。大小不一，而且有些肺泡是相连的。 39呼气时，肺泡体积减小，单体面积呼气时，肺泡体积减小，单体面积上的表面活性物质的量增多，减小了肺上的表面活性物质的量增多，减小了肺泡的表面张力系数，即减小了表面张力，泡的表面张力系数，即减小了表面张力，从而防止了肺泡的过分萎缩。从而防止了肺泡的过分萎缩。吸气时，肺泡体积增大，而表面活性物吸气时，肺泡体积增大，而表面活性物质的量不变，故单位面积上的表面活性质的量不变，故单位面积上的表面活性物质的量随体积增大而减小，结果使肺物质的量随体积增大而减小，结果使肺泡的表面张力系数增大，即增大了表面泡的表面张力系数增大，即增大了表面张力，从而限制了肺泡的继续膨胀；张力，从而限制了肺泡的继续膨胀；40实验表明，正常呼气后，肺泡实验表明，正常呼气后，肺泡通常稳定在它最大尺寸的通常稳定在它最大尺寸的1/4，即肺内还有余气，这使接下来即肺内还有余气，这使接下来的吸气变得容易一些。的吸气变得容易一些。 肺泡上表面活性物质对表面张肺泡上表面活性物质对表面张力系数的调控作用，保证了呼吸过力系数的调控作用，保证了呼吸过程的正常进行程的正常进行。
