1、液体的表面现象液体的表面现象 The surface phenomenon of liquid液体的表面张力液体的表面张力弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强液体与固体接触的表面液体与固体接触的表面现象现象表面现象的医学应用表面现象的医学应用u教学大纲要求教学大纲要求 1.1.掌握液体表面张力、表面能的概念及掌握液体表面张力、表面能的概念及它们与表面张力系数的关系。它们与表面张力系数的关系。2.2.了解润湿、不润湿现象。了解润湿、不润湿现象。3.3.理解毛细现象、气体栓塞现象，能运理解毛细现象、气体栓塞现象，能运用公式计算液体在毛细管中上升或下降的高用公式计算液体在毛细管中上升或下降的高度。度
2、。1 1、表面与表面层、表面与表面层(surface and surface layer)(surface and surface layer)：液体表面液体表面:液体与气体或固体的接触面。液体与气体或固体的接触面。一、表面张力（一、表面张力（Surface tension）waterrmr910Water dropr液体表面层：液体表面下厚度等于分子作用球半径液体表面层：液体表面下厚度等于分子作用球半径的一层液层。的一层液层。液体的表面现象例子液体的表面现象例子:液面液面面积有缩小到最小值的趋势。面积有缩小到最小值的趋势。液面液面宏观上表现为一个被拉紧的弹宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具
3、有张力。性薄膜而具有张力。斥力斥力 引力引力斥力斥力 引力引力斥力斥力=引力引力r r0rr分子作用分子作用球半径球半径无分子力无分子力分子作用球半径：分子作用球半径：r=10-9m(平衡位置平衡位置:r r0 0=10=10-10-10 m)m)从分子间的相互作用力从分子间的相互作用力f 分析表面张力的产生：分析表面张力的产生：r空气空气液体液体ACB表面层表面层A A是液内分子；是液内分子；B B和和C C是液体表面层分子。是液体表面层分子。液内分子液内分子A A受力分析：受力分析：A A分子受到的分子作用力的合力为零：分子受到的分子作用力的合力为零：f fi i=0=0空气空气液体液体A
4、CB表面层表面层表面层分子表面层分子B B和和C C的受力分析：的受力分析：处于表面层的分子受到一个指向液体内部的分子处于表面层的分子受到一个指向液体内部的分子吸引力作用；宏观上表面层表现为一个被拉紧的吸引力作用；宏观上表面层表现为一个被拉紧的弹性薄膜。弹性薄膜。lf lf)/(mNlf 由于液面处于紧张状态，在液面上由于液面处于紧张状态，在液面上存在着起收缩作用的表面张力。这些存在着起收缩作用的表面张力。这些表表面张力的方向面张力的方向都与液面相切，并且与线都与液面相切，并且与线段段ABAB 垂直；它们大小相等，方向相反，垂直；它们大小相等，方向相反，分别作用在两部分液面上。分别作用在两部分
5、液面上。实验表明实验表明:表面张力的大小表面张力的大小正正比于线段比于线段ABAB的长度。的长度。表面张力系数表面张力系数(surface tension coefficient)：2.2.表面张力表面张力(surface tension)(surface tension)f ff fABl液体薄膜液体薄膜ABCDf2l表面张力的测定：表面张力的测定：lf2平衡时：平衡时：*表面张力系数：表面张力系数：lf2（1 1）表面张力系数是液体本身的固有性，与液体的种类相关。）表面张力系数是液体本身的固有性，与液体的种类相关。（2 2）与液体的温度有关。温度愈高，液体的表面张力系数愈小。）与液体的温度
6、有关。温度愈高，液体的表面张力系数愈小。（3 3）与液体的纯度有关。）与液体的纯度有关。（4 4）与相邻的介质有关。）与相邻的介质有关。增加单位表面积所作的功：增加单位表面积所作的功：SWxlxf2lf2l液体薄膜液体薄膜ABCDF2lfxSDC二、表面能二、表面能(surface energy).(222mJll表面张力系数等于液体增加单位表面积所作的功。表面张力系数等于液体增加单位表面积所作的功。表面层中液体分子所具有比液体内部分子所多出的势能表面层中液体分子所具有比液体内部分子所多出的势能总和。总和。不同液体与空气接触时的表面张力系数不同液体与空气接触时的表面张力系数表面张力的微观本质是
7、表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。分别以液体表面层分子A 和内部分子B为球心、分子有效作用距离为半径作球（分子作用球）。对于液体内部分子 B，分子作用球内液体分子的分布是对称的；ABB 从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。对于液体表面层的分子 A，分子作用球中有一部分在液体表面以外，分子作用球内下部液体分子密度大于上部；当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能。所以液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大。由势能最小原则，在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态。从力的角度看，就有表
8、面张力存在。统计平均效果所受合外力指向液体内部，因此有向液体内部运动的趋势。AfL大水滴的面积为 nrS2424 RS 解：设小水滴数目为n，n个小水滴的总面积为333434Rnr33rRn 表面张力系数 SE溶合过程中释放的能量SE2)1(4RrR)44(22Rnr例1、半径为r=210-3mm的许多小水滴融合成一半径为R=2mm的大水滴时。(假设水滴呈球状，水的表面张力系数=7310-3N/m在此过程中保持不变)试求此过程中释放出的能量。溶合过程中水体积不变例例2、与水接触的油的表面张力系数、与水接触的油的表面张力系数 a=1.810-2N/m，为，为了使了使 1.010-3 kg 的油滴
9、在水内散布成半径的油滴在水内散布成半径 r=10-6m 小油小油滴，（散布过程可以认为是等温的，油的密度为滴，（散布过程可以认为是等温的，油的密度为=900kg/m3）。求需做多少功？）。求需做多少功？解：设一个半径为R 的大油滴等温地散布成N 个小油滴，因而所需作的功为SW)(422RNrS油的质量 m 不变，则334Rm 343rmN3143mR334rNmJ10062.W可得：平面液面：平面液面：空气空气水水P0P P液内液内P液内液内=P0弯曲球面液面：弯曲球面液面：P0P P液内液内水水由于表面张力由于表面张力f f产生附加的压强产生附加的压强P P附附,所以所以P P液内液内 P
10、P0 0P附附ff三、弯曲液面附加压强三、弯曲液面附加压强(The additional pressure under a curved surface)P0P P液内液内水水P附附ff凹面凹面 凸面凸面 1.1.弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强ffSSSRfsr=RsinO球冠底面积球冠底面积：2)sin(RA 22sinR222sinsin2RRAfsvR20shf表面张力的垂直分量表面张力的垂直分量:sinssvffsin)2(r2sin)2(Rsinssvff表面张力的水平分量相互抵表面张力的水平分量相互抵消消:shfA)2(rfs球冠表面张力球冠表面张力:表面张力产生的附加压强表
11、面张力产生的附加压强:oPP ioPP i02oRPPPis02oRPPPisRAfPPPsvois2P0PiPSffP0PiPSff凹面凹面 凸面凸面 AfPPsvioAfPPsvoiRAfPPPsvois212RPPABRRRPPAC42221对外表面：对外表面：对内表面：对内表面：R1R2(R1R2R)22RPPBC肥皂泡肥皂泡2、球形液膜的附加压强、球形液膜的附加压强演示实验：（大泡小泡）演示实验：（大泡小泡）P0对大泡对大泡：对小泡：对小泡：因为因为 R R1 1 R R2 2，所以所以 P P1 1 P P2 2。结果：大泡变大，小泡变小。结果：大泡变大，小泡变小。0114PRP0
12、224PRPP1P2肥皂泡肥皂泡当两泡的曲率半径相等时，才处于平衡状态。当两泡的曲率半径相等时，才处于平衡状态。四、表面活性物质与表面非活性物质四、表面活性物质与表面非活性物质(surface-(surface-active agent and non-surface-active agent)active agent and non-surface-active agent)表面层表面层肥皂分子肥皂分子水分子水分子f f1 1f f2 2f f1 1 f f内内时，附着时，附着层扩展，液体浸湿层扩展，液体浸湿固体；固体；当当f f附附 90900 0 90900 0水水玻璃玻璃玻璃玻璃水银水
13、银当/2 时，液体不润湿固体当=0时，液体完全润湿固体当=时，液体完全不润湿固体水银水银水水2 2、毛细现象（、毛细现象（Capillarity）液体浸湿毛细管壁时，管内液面上升；液体不浸液体浸湿毛细管壁时，管内液面上升；液体不浸湿毛细管壁时，管内液面下降湿毛细管壁时，管内液面下降 。A AB Bh hC C液面上升的液面上升的原因原因:P PB B P PA A平衡时，平衡时，P PB B=P PA AR Rr rgrgRhcos22ghPPCB0PPAcosRr (对于下降同样适用对于下降同样适用)RPPC203 3、毛细现象的应用、毛细现象的应用临床应用：临床应用：A A、外科用脱脂棉来
14、擦拭创面的污液。、外科用脱脂棉来擦拭创面的污液。B B、普通手术缝合线要经过蜡处理。、普通手术缝合线要经过蜡处理。药学应用：药学应用：A A、药物除湿及新鲜药材的除水大多需通、药物除湿及新鲜药材的除水大多需通 过药材内毛细管才能气化。过药材内毛细管才能气化。B B、口服片剂后，片剂被浸润后通过毛细、口服片剂后，片剂被浸润后通过毛细 管作用使水分进入片剂，利于人体对药管作用使水分进入片剂，利于人体对药 物的吸收。物的吸收。日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾纸吸墨水、日常生活：棉花或棉布的吸水、餐巾纸吸墨水、煤油灯、植物吸收和运输水分等。煤油灯、植物吸收和运输水分等。六、气体拴塞六、气体拴塞(gas
15、 embolism)如果让液体流动起来，表面会有什么变化呢？如果让液体流动起来，表面会有什么变化呢？如图所示的实验装置，当活塞不施加压强（如图所示的实验装置，当活塞不施加压强（假假设活塞下的气柱中压强为大气压设活塞下的气柱中压强为大气压P0）时，即）时，即grhcos2给活塞施加压强并逐渐增大，发给活塞施加压强并逐渐增大，发现现当施加的压强很小时，液面并不当施加的压强很小时，液面并不降低降低，只是液面的曲率半径变小了。，只是液面的曲率半径变小了。只有当压强增加到一定程度液面才下降。只有当压强增加到一定程度液面才下降。这是由于这是由于液体具有黏滞性液体具有黏滞性，当给活塞施加一较小压强时，当给活
16、塞施加一较小压强时，只是只是凹形液面的曲率半径变小凹形液面的曲率半径变小了，附加压强增大，了，附加压强增大，液面下压强液面下压强仍然能够保持不变，即液面不下降。仍然能够保持不变，即液面不下降。如图，逐渐增大右端的压强，刚开始液滴并不移动，只是右如图，逐渐增大右端的压强，刚开始液滴并不移动，只是右液面的曲率半径减小；只有当压强增量超过一定的限度液面的曲率半径减小；只有当压强增量超过一定的限度P 时，液滴才开始移动。时，液滴才开始移动。这种现象对生物毛细管中液体的流动有影响。这种现象对生物毛细管中液体的流动有影响。PPPP PP如果毛细管中有如果毛细管中有 n 个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液
17、个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强为面处压强为 P；同理，要使第二个液滴移动，第二个气泡中的压强必须必同理，要使第二个液滴移动，第二个气泡中的压强必须必须大于须大于 P+2P。P+PP+2P 要使这要使这 n 个液滴移动，则最右端必须施以大于个液滴移动，则最右端必须施以大于P+nP 的的压强。压强。P+3PP+nP七、气体栓塞在医学中的应用七、气体栓塞在医学中的应用*注射前，要排尽针筒中气体；注射前，要排尽针筒中气体；*潜水病；潜水病；当液体在毛细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的当液体在毛细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动会受阻，如果气泡产生得多了，就会堵住毛细管，使液流动会受阻，如果气泡产生得多了，就会堵住毛细管，使液滴不能流动。这种现象称为滴不能流动。这种现象称为气体栓塞现象气体栓塞现象。预习要求：预习要求：1、光的干涉；、光的干涉；。作业：作业：习题习题5-85-10本章结束谢谢！
