ch3液体的表面现象.ppt

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1、第3章 液体的表面现象,也许你曾经留意,也许你曾有所思,为什么,毛笔出水自聚合,植物叶面水成滴,蚊子站立水面上,钢针水上不沉落,气球越吹越省力,肥皂溶水起泡膜,秋冬多有雾弥漫,清晨常见地潮湿,上述现象皆有因,本章内容道根底,毛细管中水升位,纸张见水便润湿,与固体接触的液体表面存在润湿和不润湿现象；,上述两种现象使得细管（即毛细管）中的液体有毛细现象。,与气体接触的液体表面存在表面张力现象，从而使弯曲液面内外有附加压强差；,液体的表面,表面层,液体与气体的分界面,液体与另一种液体的分界面,附着层,液体与固体的分界面,3.1 液体的表面张力,3.2 弯曲液面的附加压强,3.3 毛细现象,3.4 蒸

2、发与凝结,本章内容：,3.1 液体的表面张力,一、液体的微观结构,液体分子间作用力显著。,宏观上表现为不易压缩性。,液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内移动。,液体分子在每一个平衡位置上振动的时间。,分子的定居时间：,不同液体，随着温度、压强的不同，定居时间不同。,在液体与气体的分界面处厚度等于分子有效作用半径的那层液体称为液体的表面层。,当外力作用时间 定居时间,表现为液体的流动性,当外力作用时间 定居时间,表现为固体所特有的弹性形变、脆性断裂等力学现象,二、液体的表面张力现象及微观本质,液体表面像张紧的弹性薄膜，具有收缩的趋势。,实例：,(1)毛笔尖入水散开，出水毛聚合；,(2)蚊子能够

3、站在水面上；,(3)钢针能够放在水面上；,(4)荷花上的水珠呈球形；,(5)肥皂膜的收缩；,液体表面张力：,说明：力的作用是均匀分布的，力的方向与液面相切；液面收缩至最小。,液体表面有收缩其表面的趋势，说明沿着液体表面层有一种收缩力作用。这种作用力叫液体表面张力。,表面张力的微观本质：,表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。,从能量的角度来解释表面张力存在的原因。,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；,A,B,B,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。,

4、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，液体表面层的分子有挤进液体内部的趋势，结果液体的表面就会尽量的收缩。,从力的角度看，就是有表面张力存在。,统计平均效果所受合外力指向液体内部。,A,fL,三、表面张力系数,从力的角度定义,(1),(2),s,s,从做功的角度定义,F 做功为：,DS 指的是这一过程中液体表面积的增量。,a 表示增加单位表面积时，外力所做的

5、功。,a 称为表面张力系数，表示单位长度线段两旁液面相互作用的表面张力，在国际单位制中的单位为 N m-1。,1、表面张力系数的定义,所以：,从表面能的角度定义,由能量守恒定律，外力 F 所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为液膜的表面能 DE 储存起来，即：,所以：,a 表示增大液体单位表面积所增加的表面能。,2、影响表面张力系数的因素,液体的性质,表面张力系数是液体本身的固有属性，与液体的种类相关。,液体的温度,同一液体的表面张力系数与温度有关，温度越高，表面张力系数越小。,水：,液体中的杂质,表面活性物质（肥皂）,两种液体形成的交界面,液体表面张力系数与相邻物质的性质有关。,20的水苯

6、界面,20的水乙醚界面,雨 后 精 灵,3、表面张力系数的测定,拉脱法,拉脱法测量液体表面张力系数的实验仪器焦利秤。,液膜的对金属框的作用力为,当拉起的水膜处于即将破裂的状态时，两个表面近似在竖直平面内，此时用焦利秤对金属框的作用力：,则液体表面的张力系数：,将质量为 m 的待测液体吸入移液管内，然后让其缓慢地滴出。,当液滴即将滴下时，表面层将在颈部发生断裂。此时颈部表面层的表面张力均为竖直向上，且合力正好支持重力。,液滴测定法,用附有目镜测微尺的望远镜测得断裂痕的直径为 d，移液管中液体全部滴尽时的总滴数为 n，则每一滴液体的重量为：,所受的表面张力为：,则有,即,具有一可移动边 KL 的框

7、架 ABCD（如图所示）竖直放置，其上覆盖了一层肥皂膜，,解,(1)钢棒 KL 保持平衡，则有,其中,例,(1)要保持平衡，钢棒 KL 直径应为多少？(2)若保持温度不变，钢棒下移 1 cm 需做功 4.510-5 J，则棒长 L为多少？（已知钢密度为=8.5103 kgm-3，肥皂水表面张力系数=0.045 Nm-1）,求,即,(2)由,则,得：,则,已知肥皂表面张力系数 a 4310-3 Nm-1，现把一个肥皂泡吹到直径为 4cm。,克服表面张力所做的功全部转化为肥皂泡的表面能：,解,由表面张力系数的定义,及,得：,例,求,为克服表面张力所作的功为多少？,则大水滴的面积为,例,解,设小水滴

8、数目为 n，n 个小水滴的总面积为,在融合过程中，小水滴的总体积与大水滴的体积相同，则,表面张力系数,求,所释放出的能量,溶合过程中释放的能量,半径为 r 的许多小水滴融合成一半径为 R 的大水滴时。(假设水滴呈球状，水的表面张力系数 a 在此过程中保持不变),3.2 弯曲液面的附加压强,对于弯曲液面来说，由于液体表面张力的存在，在靠近液面的两侧就形成一压强差，称为附加压强。,其中 P内 为液面内侧的压强，P外 为液面外侧的压强。,一、弯曲液面的附加压强,表面层中取一小薄层液片分析其受力情况（忽略其所受的重力），,s,s,P1,s,即,水平液面：,可知,=P0,分析小薄层液片受力情况，,分析小

9、薄层液片受力情况，,表面张力的合力 s合 的方向与凸面法线方向相反，,即,s,Ps,P2,凹形液面：,Ps,P3,所以,表面张力的合力方向不同，决定了Ps 是 Ps 0 还是 Ps 0,凸形液面：,所以,表面张力的合力 s合 的方向与凹面法线方向相反，,s,=P0+Ps,=P0-Ps,即,二、球形液面的附加压强,ds/,ds,ds,r,（附加压强与表面张力的定量关系）,作用在 dl 液块上的表面张力,表面张力的合力为,由于，,所以,得,球形弯曲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。,同理可以证明,对于凹形液面,如图，,dl,如果液面外大气压为 P0，在平衡状态下，,凸球形

10、液面内液体压强为,凹球形液面内液体压强为,弯曲液面的附加压强为作用在单位面积上的表面张力的合力。,球形液膜，两个球形面的半径近似相等,C,A,B,液膜外表面为凸液面，有,液膜内表面为凹液面，有,附加压强为：,球形液滴内液体的压强为,则球形液膜内气体的压强为,一肥皂泡的直径为 5 cm，其表面张力系数为 2510-3Nm-1。,解,P内,P外,由题意，得：,则,例,试计算肥皂泡内的计示压强。(即泡内压强与大气压强之差),求,解,例,求,如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右两端吹成一大一小两个液泡。（假设肥皂薄膜厚度为定值）,如果打开连通管，气体会怎么运动？,肥皂泡内气体压强为,打开连通管后气体

11、将从B 流向 A。,由于,所以,那么形成 B 的肥皂薄膜最后会不会流经连通管，完全到达 A,?,已知直径d=0.01 mm 的空气泡在水下的深度 h=20 cm 处，设水面压强为大气压 P0=1.013105 Pa，已知水的密度 r=103 kgm-3，水的表面张力系数 a=7210-3 Nm-1。,解,由题意得：,而,所以,例,求,气泡内空气的压强。,3.3 毛细现象,一、润湿和不润湿,附着层：,在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层。,取决液体和固体的性质,润湿,不润湿,内聚力：,液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力,附着力：,固体分子对附着层内液体分子的吸引力,润湿和不

12、润湿是由附着层分子力引起的。,内聚力大于附着力,A,不润湿,内聚力小于附着力,A,润湿,液体对固体的润湿程度由接触角来表示。,接触角：,在液、固体接触时，固体表面经过液体内部与液体表面所夹的角。,通常用 q 来表示。,液体润湿固体；,当 时，,当 时，,液体不润湿固体；,当 时，,液体完全润湿固体；,当 时，,液体完全不润湿固体；,q,润湿,q,不润湿,附着层,附着层,二、毛细现象,将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。这种现象称为毛细现象。,能够产生毛细现象的细管称为毛细管。,1、毛细现象产生的原因,毛细现象

13、是由于润湿或不润湿现象和液体表面张力共同作用引起的。,如果液体对固体润湿，则接触角为锐角。,h,如果液体对固体不润湿，则接触角为钝角。,h,容器口径很小，附加压强的存在将使管内液面升高，产生毛细现象。,容器口径很小，附加压强的存在将使管内液面降低，产生毛细现象。,设管内液面为一半径为 R 的凹球面,附加压强为：,即,2、毛细管中液面上升或下降的高度,如图，一截面半径为 r 的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为 q。,由几何关系可知：,R,r,又,且,得：,h,润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。,讨论,(1)若液体不润湿管壁，则,可得：,管内液

14、面下降。,(2)在完全润湿或完全不润湿的情况下，=0 或=，则：,(3)毛细管内径越小，a 越大，h 的绝对值越大。,毛细管能提升水位到一定高度，其不可以用从毛细管流出的水做功而设计出毛细管永动机吗？,唉！,三、毛细作用的典型实例,(1)土壤毛细水,土壤颗粒对水的吸附作用而使水润湿土粒并在表面形成一层水膜，称为吸附水，难以被植物吸收；,由于毛细管作用而在空隙中形成“楔形”弯液面，处在空隙中的“楔形”水称为毛管水，不易流失而且容易被植物吸收，在农业生产中具有重要意义。,夜间土壤表层温度低，水的表面张力系数较大；而在土壤较深层温度较高，水的表面张力系数较小，水分会沿毛细管上移。所以拂晓时分土壤表层

15、水分含量高于正常水平。,保持土壤水分是农业增产的一个重要问题。,对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被液态水充满，通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。为了保持土壤中适当的含水量：,(1)增加腐殖质不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结构，增加毛管水的贮量；,(2)温室中通常以渗流灌溉并对土壤含水量进行适时监控；,(3)对于田间耕种，旱田播种后把地表压实可以使土壤颗粒之间形成较好的毛细管，利于水分上升至地表；而冬天则应把土壤翻松，破坏土壤的毛细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉。,(2)毛细永动机能否制造出来？,由 可知：,液体沿毛细管（液体润湿管壁）“自动地”上升的

16、,如果毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度 h 小，液体能否自动从管子中流出来形成“毛细永动机”？,高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。,实际上，毛细永动机是不可能存在的。,P0,A,P0,液体润湿管壁会产生一定的接触角q，形成凹形液面，,从而产生一定的附加压强，即 A 点的压强为，在大气压的作用下，液面会上升；,如果毛细管露出水面的长度足够，液面会上升。,如果毛细管露出水面的长度 h0 h，则当液体上升到管口时，液面的曲率半径将增大，从而附加压强减小，PA 增大。,当曲率半径增大到 时，A 点压强增大，液面不再上升。,因此，即使毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度 h 小，也不会形成

17、毛细永动机。,(3)植物水分的运输机制,现在对植物水分向上运输机制有三种观点：,1、毛细作用,植物体内的主要输水管道木质部导管是一个典型的毛细管系统，它由许多丧失了原生质的死细胞构成，直径约为 0.04mm 0.05mm。,玉米茎的横切面构造,多年生植物（朱槿）茎的横切面构造,室温条件下，水的表面张力系数约为 a=7310-3 Nm-1，取毛细管的半径 r=0.02 mm，假设水完全润湿毛细管壁，得：,这个结论似乎说明对于低矮的植物靠毛细现象就可以满足水分向上运输的需要。,实际上植物导管的上端并不是敞开的（与上述毛细管模型不同），导管中从上到下均充满了水分，而且毛细现象无法满足稍高的植物的输水

18、需要，更不要说参天大树了。,因此，植物水分上运输应该还有别的机制。,2、渗透作用,在生命系统中有许多膜相结构都是半透膜，如细胞膜、动物的膀胱、肠衣等，它们都存在渗透现象。,如图所示的 U 形管底部有一半透膜 MN 将糖溶液分成两个浓度不同的区域，左侧浓度高，右侧浓度低。,半透膜只允许小分子通过，而不允许糖类分子、蛋白质分子等大分子通过，这一特性将使左右两边水的浓度相等。,H2O,溶质浓度低相当于水的浓度高，溶质浓度高相当于水的浓度低，所以水分子将通过半透膜向溶质浓度高的区域扩散，这种现象称为渗透现象。,由于渗透作用，U 形管左侧液面将升高，右侧液面将降低；,必须在左侧液面施加一个压强 P 才能

19、使左右液面平齐，这个压强称为渗透压。,实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是渗透压造成的。,在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液。土壤解冻时水分通过渗透作用进入根系，迫使树液上升，直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止。渗透压可以使树液上升到 30m 以上的高度。,然而，在夏季，新陈代谢旺盛的植物根部的糖浓度要下降，此时单靠渗透压的作用是不够的。而且有些植物可以高达 60m 以上，如冷杉。,冷杉,这时无论是毛细作用还是渗透作用都无法满足水分向上运输的需要，或许还有其他的运输机制。,3、负压强作用,如图所示的装置，活塞下的容器中充满水。,实验证明，必须对活塞施加 25 3001

20、05 Pa 的压强才能将活塞与水柱分离。,显然，这不仅仅有大气压的作用，最主要的作用是液体的内聚力，即分子间的作用力。液体向内拉周围物体的作用，称为负压强作用。,正是因为负压强作用，当水分不断从叶片中蒸发出去或参与植物组织中的生化反应时，水分能够从根部源源不断向上供给。,由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零，因此气体不能产生负压强。,(4)气体拴塞现象,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（假设活塞下的气柱中压强为大气压 P0）时，即,给活塞施加压强并逐渐增大，发现当施加的压强很小时，液面并不降低，只是液面的曲率半径变小了。,只有当压强增加到

21、一定程度液面才下降。,这是由于液体具有黏滞性，当给活塞施加一较小压强时，只是凹形液面的曲率半径变小了，附加压强增大，液面下压强仍然能够保持不变，即液面不下降。,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 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。,如图，,P,P,P,P P,P,如果毛细管中有 n 个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强为 P；,同理，要使第二个液滴移动，第二个气泡中的压强必须必须大于 P+2P。,P+P,P+2P,如果要使这 n 个液滴移动，则最右端必须施以大于P+nP 的压强。,P+3P,P+nP

22、,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，使液滴不能流动。这种现象称为气体栓塞现象。,气体栓塞现象的危害举例：,(1)静脉注射或肌肉注射时要将针管中得气体排除后再注射；,(2)当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析出形成气泡；,比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。,(3)在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。,如图所示，U 形管中注入水，设右边毛细管的内半径 r=5.010-5 m，左边毛细管的内半径 R=2.010-4 m，水的表面张力系数a

23、=7310-3 Nm-1，接触角 q=0。,解,由题意得,而,所以,例,求,两管内水面的高度差 h。,用托里拆里管测大气压时，已知外界大气压为P0=105 Pa，玻璃管内径为 0.2 cm，水银表面张力系数 a=45010-3 Nm-1，水银密度 r=13.6103 kgm-3，水银与玻璃接触角为 p，,解,由于弯曲液面的附加压强，从而使得：,则得：,例,求,水银柱实际高度。,3.4 蒸发与凝结,液态,气态,汽化,液化或凝结,令 n 表示单位时间跑出液体表面的平均分子数，以 n 表示单位时间回到液体中的平均分子数。,一、蒸发和凝结产生的条件,当 n n时，宏观上则表现为蒸发；,当 n n时，宏

24、观上表现为凝结；,当 n=n时，则液气达到动态平衡。,（影响蒸发的因素：表面积，温度，通风情况；液体本身性质。）,（蒸发和沸腾）,在敞口容器中，逃出液面的蒸汽分子会向远处扩散，有 n n，直到液体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停止。,而在密闭容器中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液体的分子数也不断增多，当 n=n时，液气达到动态平衡，此时的蒸汽叫做饱和蒸汽，由它而产生的压强叫做饱和蒸汽压。,二、饱和蒸汽压,在一定温度下，饱和蒸汽压具有恒定的值，与其体积的大小以及有无其它气体存在无关。,对于容易挥发的液体，表面层内的分子受液体内部分子束缚较小，饱和蒸汽压较大。,三、影响饱和蒸汽压的因素,(1)液体

25、本身的性质:,(2)温度:,温度越高，分子无规则热运动越剧烈，表面层的分子越容易摆脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高。,(3)液面的弯曲情况：,如图所示,当容器内液体和蒸汽达到平衡时,水平液面上方饱和蒸汽压为 PC，而毛细管内弯曲液面上方饱和蒸汽压为 PC，液体和饱和蒸汽的密度分别为 r 和 r。,毛细管半径为 r，接触角为。,h,A,B,则,即,得,由于，所以，即凹形液面上的饱和蒸汽压小于水平液面上的饱和蒸汽压，蒸汽容易发生凝结现象。,如土壤从孔隙空气中吸收大量的水分。,同理可以证凸液面上的饱和蒸汽压 和水平液面上的饱和蒸汽压 PC 之差的计算公式,凸液面上方饱和蒸汽压较大，蒸汽就不易在凸

26、液面上凝结。,有时蒸汽压强已超过水平液面上饱和蒸汽压的几倍，仍无法形成液滴。这种蒸汽称为过饱和蒸汽。,因为,所以,四、典型实例,人工降雨,小水滴,凝结,大水滴,雨或雪,凝结核,蒸汽中的杂质微粒,被水润湿,碘化银、氯化钠、硫化物等,秋冬季节温度降低时，地面上空的蒸汽密度超过了该温度下饱和蒸汽的密度，蒸汽凝结成水珠，形成霜露、雾。,秋、冬季节的霜露、雾现象,第3章 液体的表面现象,主要内容：,液体的表面张力、表面能、液体与固体接触处的表面现象，弯曲液面的附加压强，生物组织和土壤中的毛细现象。,基本要求：,理解液体表面张力、表面张力系数的三个定义，能求解弯曲液面的附加压强、毛细管内液面上升或下降的高

27、度，了解液体表面张力、毛细现象在生物组织和土壤中的应用。,课堂作业,判断题:,(1)表面张力系数与液面的大小有关。,(2)表面张力是由于液面层分子受力不对称引起的。,(3)液体的表面能与表面积成正比。,(4)对于凸形液面，液内压强小于液外压强。,(5)毛细现象完全是由表面张力引起的。,填空题:,(1)液体具有特殊的表面性质，在与空气接触处形成的表面表现出，而在与固体接触处形成的表面出现 现象。,(2)当附着力大于内聚力时，液体 固体表面；而当内聚力大于附着力时，液体 固体表面。,(3)液体对固体的润湿程度可用接触角来说明，当为 角时，液体润湿固体；而当为 角时，液体不润湿固体。,(4)随着温度的升高，液体的表面张力系数（减小，增大，不变）。,单选题:,(1)两个大、小不同的肥皂泡用玻璃管相连，说法正确的是：,A、大泡内的压强大于小泡内的压强；,B、相通后，大泡越来越大，小泡越来越小；,C、相通后，大泡逐渐减小，小泡逐渐增大；,D、相通后，大泡和小泡保持原大小不变；,(2)对于水平液面、凸液面、凹液面，附加压强最大的是：,A、水平液面；B、凸液面；C、凹液面；D、无法比较；,(3)在水平放置的毛细管内有一润湿管壁的小液滴，该液滴左右两端是对称的凹形液面，今在左端稍加一压强，则会看到：,A、液滴右移；B、右端曲面形状变化；C、左端曲面形状变化；D、液滴不移动且曲面形状不变化；,