1、2014年03月14日science封面故事：表面张力的微小世界 The Small World of Surface Tension 表面张力使得水黾能够“泰然自若”地站在水面上。在微小尺度上，表面张力超过重力的现象影响着小型动物如何排尿、水蕨如何保持浮力、病原体如何传播等诸多问题。（DOI: 10.1126/science.343.6176.1194）,第3章 液体的表面现象,The surface phenomena of liquid,植物花瓣和叶面上的露珠,玻璃板上的水银滴,液体除了具有流体的一般特性外，它还有一个特殊的重要性质，即表面特性(surface characterizat
2、ion )。,液体与气体和固体相接触时都有一界面，处于界面的分子同时受到同种分子以及气体或固体分子的作用力，因而产生一系列的特殊现象，称之为液体的表面现象(surface phenomena of liquid)。,液体的表面现象(surface phenomena of liquid)包括:,表面张力(surface tension) 、附加压强(additional pressure )、毛细现象(capillarity)等,本章内容 一、 液体的表面张力 surface tension 二、 表面能 surface energy 三、 附加压强 additional pressure 四
3、、 毛细现象与气体栓塞 capillarity & air embolism 五、 表面活性物质 surfactant 六、 总结 summary,一、液体的表面张力surface tension,表面张力概念 分子力、液体的表面层 表面张力的方向 the direction of surface tension 表面张力的大小 the magnitude of surface tension,表面张力：液体的表面如紧张的薄膜， 有收缩成表面积最小的趋势，这说明液体的表面存在着张力，这种作用力叫表面张力（surface tension）。,自然现象：露珠，荷叶上水滴，雨点等呈圆形,产生原因：分
4、子相互作用的分子力。,分子间的平衡距离r0为1010m；,F,O,r,r0,斥力,引力,109m,液体分子的间距是1010数量级，相邻几个液体分子间通常表现为引力。,r 109m: 引力趋近0,109 m为半径作一球面，则只有在这个球面内的分子才对位于球心的分子有作用力，此球称为分子作用球，球的半径为分子作用半径。,F,O,r,r0,斥力,引力,109m,表面层：液体表面取厚度等于分子作用半径 的一层称为表面层surface layer 。,表面层,B分子 受力为0,分子作用球,B,表面层-液表下厚度等于分子作用半径的一层液体称为表面层surface layer .,表面层内的分子都有往液体内
5、部迁移的趋势,从而使液体表面面积趋于缩小.,A处分子受力,A,表面张力的方向 the direction of surface tension,表面张力是沿着液体的表面与液面相切并且与分界线相垂直的。,表面层分子所受分子作用力：垂直液面向下,表面张力：与液面相切，垂直分界线,表面张力的大小 the magnitude of surface tension,假设在液面上作一长度为L的分界线，A、B两液面都以一定的拉力F作用于对方，其大小与长度L成正比：,为液体的表面张力系数coefficient of surface tension，它等于单位长度分界线上表面张力的大小。在国际单位制中，其单位为
6、N/m (牛顿/米)，量值的大小取决于液体性质、温度。,同一种液体，温度愈高， 值愈小。,二、液体的表面能surface energy,如果要增加液体的表面积，就得作功把液体内部分子移到表面层，从而增加了液面的势能。,表面能surface energy ：液体表面的势能,表面层内的分子比液体内部的分子具有更多的势能。表面积越大，势能越大。系统的能量有减小到最小的趋势，所以只要有可能，表面积将减到最小。,l,A,B,B,C,C,D,2L,F,表面张力系数coefficient of surface tension: 增加单位液体表面积所作的功，即：增加单位表面积时所增加的表面能 单位长度上表面张
7、力的大小,思考：一半径为1 mm的小水滴，分裂成8个小水滴 ，表面能是增加还是减少？,三、弯曲液面的附加压强additional pressure,平面、凸面、凹面的受力分析 附加压强 附加压强的大小（球面，球膜） 现象解释,静止的液体表面有平面和曲面两种形式。,S,f,f,PoS,PiS,曲面受力分析,在液体表面上取一面积元S， S同时受到三个力的作用：表面张力、空气的压力PoS、表面内部液体的压力Pi S（重力忽略）。,液体的表面为平面时,附加压强additional pressure ：液面内外静压强差为液面的附加压强,结论：对于平面，附加压强为0,凸液面的附加压强,液体的表面为凸面时，
8、合力F指向液体内部：,结论：对凸面而言，液面内的压强大于液面外的压强。,S,f,f,F,PoS,PiS,立体图,F,凹液面的附加压强,结论：对凹面而言，液面内的压强小于液面外的压强。,液体的表面为凹面时，合力F指向液体外部：,f,f,F,S,F,PiS,PoS,凸面和凹面的判断： 从液体外部经液面到液体内部 看到的形状,曲面附加压强的大小 magnitude of additional pressure,曲面内外的压强差，拉普拉斯公式：,液面的附加压强与表面张力系数成正比，与液面的曲率半径成反比。 液面为凸时，Ps取正，即指向液体内部 液面为凹时，Ps取负，即指向液体外部。,球膜附加压强,R,
9、C,A,B,球膜附加压强,R,结论：球膜内部压强大于外部压强，内外压强差为：,C、B两点间液面的附加压强为：,即C点压强比B点大；,B、A两点间液面的附加压强为：,即B点压强比A点大；,附加压强实验,1.出现什么现象？,2.最终结果是什么？,四、毛细现象与气体栓塞 capillarity & air embolism,润湿、不润湿现象 wetting & non-wetting 毛细现象capillarity 气体栓塞air embolism,润湿、不润湿现象 wetting & non-wetting,让水滴滴到表面洁净的玻璃上，这些水滴很快扩展开并附着在玻璃上；如果让水银滴到玻璃上，水银滴
10、会自动收缩成球形。,润湿、不润湿现象 wetting & non-wetting,由此可知，当液体与固体接触时，有两种情况，一种是液体与固体的接触面有扩大的趋势，液体易于附着固体，称为润湿现象wetting ；,另一种是液体与固体的接触面有收缩的趋势，称为不润湿现象non-wetting 。,润湿、不润湿是由分子力决定的。,产生原因 Origins,当内聚力大于附着力时，液体不润湿固体。,当液体分子间的吸引力（内聚力）小于液体 分子与固体分子间的吸引力（附着力）时，即： 内聚力小于附着力，液体润湿固体；,润湿、不润湿一般用接触角 来描述。,接触角是指在液体表面与固体表面的接触处作一与液面相切的
11、切线，此切线与液体固体界面之间的夹角。,接触角contact angle,当为锐角时，液体润湿固体；,当为零时，为完全润湿；,当为180时，为完全不润湿。,当为钝角时，液体不润湿固体；,毛细现象（capillarity),毛细现象（capillarity),润湿液体在细管中上升或不润湿液体在细管中下降的现象称为毛细现象(capillarity)。,毛细现象capillarity是表面张力现象surface tension产生的另一个重要效应。,能产生毛细现象的管子称为毛细管capillary 。,上升：如水，下降：如水银,毛细现象capillarity的计算,R,r,h,P0,A,B,C,P0
12、,（1）毛细管中液面上升的高度与表面张力系数成正比，与毛细管的内径成反比。管径越细液面上升越高。,（2）不润湿液体在毛细管中下降的高度的计算式， 此时接触角 大于90，所以cos 为负，表示 管内液面低于管外液面。,思考：液柱下降时，此时液面是凸面还是凹面？,R,r,h,P0,A,B,C,P0,毛细现象在生命过程以及日常生活中都有重要的意义。植物的吸收和水分的输送，人体血液在毛细血管中的流动等过程，毛细现象都起着重要的作用。,气体栓塞air embolism,液体在细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动将受到阻碍，气泡多时将发生阻塞，这种现象称为气体栓塞(air embolism)。,气体
13、栓塞是由于气体与液体间的曲面有附加压 强additional pressure而产生的。,人体血管栓塞,人体血管中若有气泡，当气泡很小时，可以通过血液循环从肺部排出，但若气泡很大或多到一定量，则将造成血液循环障碍。所以在静脉注射或输液中应特别注意防止空气输入到血管中。,五、表面活性物质surfactant,表面活性物质surfactant 肺泡的物理现象,表面活性物质surfactant,溶液的表面张力系数是由溶液本身的性质决定的。当在一种溶液中加入另一种物质时，溶液的表面张力系数将可能改变。,水的表面活性物质有：胆盐、肥皂、蛋黄素等。,能够减小溶液表面张力系数的物质，称为表面活 性物质。,肺
14、泡的物理现象,肺泡内壁附着有一层特殊的肺液，类似于一个个相互连通的微液泡。,肺泡的物理现象,大肺泡的表面活性物质的浓度小于小肺泡的 表面活性物质的浓度，所以大泡的表面张力 系数大于小泡的表面张力系数。这样，大肺 泡不会越来越大，小肺泡也不会越来越小。,总结summary,基本概念和规律,（1） 表面张力 surface tension （2） 表面能 surface energy （3） 曲面下附加压强 additional pressure （4） 湿润和不湿润 wetting & non-wetting （5） 毛细现象 capillarity （6） 气体栓塞 air embolism （7） 表面活性物质 surfactant,表面张力的大小： surface tension,表面能的增量： surface energy,曲面下的附加压强： additional pressure,球膜内外附加压强：,毛细管液面上升高度： capillarity,相关习题： 习题三 3.1-3.8 1题图修改：,8题：两连通毛细管改为两根毛细管,
