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1、第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 1 液体的表面现象液体的表面现象 表面张力表面张力 弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强 毛细现象毛细现象 气体栓塞气体栓塞第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 2水黾为何可在水面上行水黾为何可在水面上行走而不至于沉入水中走而不至于沉入水中？牛奶滴落在盘上的瞬间牛奶滴落在盘上的瞬间溅出的小奶滴呈球状溅出的小奶滴呈球状一、表面张力一、表面张力第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 3第四章第四章 分子动力论分子动
2、力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 4曲别针能放在水面上曲别针能放在水面上第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 5 液体表面具有收缩趋势的力，这种存在于液体表面具有收缩趋势的力，这种存在于液体表面上的张力称为液体表面上的张力称为表面张力表面张力。以上的现象表明：以上的现象表明： 液体表面像张紧的弹性膜一样，具有液体表面像张紧的弹性膜一样，具有收缩的收缩的趋势趋势。 力的作用是均匀分布的，力的方向力的作用是均匀分布的，力的方向与液面相切；与液面相切；液面收缩至最小。液面收缩至最小。表面张力特点：表面张力特点：第四章第四章 分
3、子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 6以分子球心、分子以分子球心、分子有效有效作用距离作用距离r为半径作球为半径作球（分子作用球分子作用球）。）。 对于液体内部分子对于液体内部分子 A A，分子作用球内液体分子的分，分子作用球内液体分子的分布是对称的；布是对称的； 从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以作用力从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以作用力相互平衡，合力为零。相互平衡，合力为零。 表面张力的微观本质表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。不对称性引起的。fLf LABCr表面层表面层表面张力的微观
4、本质表面张力的微观本质第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 7 对于液体表面层的分子对于液体表面层的分子 B B，分子作用球，分子作用球中有一部分在空气中，分子作用球内下部液中有一部分在空气中，分子作用球内下部液体分子密度大于上部；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。所以子相互作用的势能。所以液体表面层分子比液体内部液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大。分
5、子的相互作用势能大。液体表面层分子都受到指向液体内部的力，使表面处于紧液体表面层分子都受到指向液体内部的力，使表面处于紧绷的状态，宏观上就表现为绷的状态，宏观上就表现为表面张力表面张力 统计平均效果统计平均效果所受合外力指向液体内部所受合外力指向液体内部，因此有向液体内部运动的趋势。因此有向液体内部运动的趋势。BF表面能表面能：表面层内所有分子的势能的总和表面层内所有分子的势能的总和第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 8表面张力的大小表面张力的大小表面张力系数表面张力系数表面张力的方向表面张力的方向:与液面相切，并垂直于分界线与液面相切，并垂
6、直于分界线单位：单位：N.mN.m-1-1FFL单位长度上表面张力的大小单位长度上表面张力的大小第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 由于液膜有前后两个表面由于液膜有前后两个表面层，金属丝上的力为：层，金属丝上的力为：表面张力系数与表面能和功的关系表面张力系数与表面能和功的关系表面张力所做的功：表面张力所做的功：增加的液膜表面积：增加的液膜表面积： 表示增加单位表面积时，外力所需做的功。表示增加单位表面积时，外力所需做的功。LFpull2LABCDBCx第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 10
7、从从表面能表面能的角度定义：的角度定义： 由能量守恒定律，外力由能量守恒定律，外力 F F 所做的功完全用所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为于克服表面张力，从而转变为液膜的表面能液膜的表面能 储存起来，即：储存起来，即：增加液体单位表面积时液体表面能的增加增加液体单位表面积时液体表面能的增加第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 11表面张力系数的基本性质表面张力系数的基本性质（1 1）不同液体的表面张力系数不同，密度小、）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小。容易蒸发的液体表面张力系数小。（2 2）同一种液体的
8、表面张力系数与温度有关，）同一种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。温度越高，表面张力系数越小。（3 3）液体表面张力系数与相邻物质的性质有关）液体表面张力系数与相邻物质的性质有关（4 4）表面张力系数与液体中的杂质有关。）表面张力系数与液体中的杂质有关。第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 12二、弯曲液面的附加压强二、弯曲液面的附加压强为液面内侧的压强为液面内侧的压强为液面外侧的压强为液面外侧的压强（一）弯曲液面的附加压强（一）弯曲液面的附加压强 由于表面张力的存在，弯曲液面的两侧压强不由于表面张力的存在，弯曲液面的两
9、侧压强不相等，存在着压强差，称为附加压强。相等，存在着压强差，称为附加压强。附加压强用附加压强用 表示表示第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 131.1.水平液面水平液面： FFP0P0即没有附加压强可知可知:表面层中取一小薄层液片分析其受力情况（忽略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）其所受的重力）第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 14 表面张力的合力指向内部，将小液片紧压在表面张力的合力指向内部，将小液片紧压在液体上液体上FP02.2.凸形液面凸形液面：P内内=P0
10、+Ps所以：所以：Ps附加压强为正附加压强为正3.3.凹形液面凹形液面：P0PsP内内=P0 - PsFF表面张力的合力指向外部表面张力的合力指向外部F所以：所以：附加压强为负附加压强为负第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 15弯曲表面的附加压强与表面张力的关系：弯曲表面的附加压强与表面张力的关系：分析作用在分析作用在dl 上的表面张力上的表面张力, ,可知：可知：曲率半径为曲率半径为R R的凸球形液面的凸球形液面RdF1dF2dFr平行于轴线平行于轴线OC OC 的合力：的合力：所以所以所以所以由于由于 , ,OC第四章第四章 分子动力论分
11、子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 16 凸球形液面的拉普拉斯公式：凸球形液面的拉普拉斯公式： 球形弯曲液面球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正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。比，与液面的曲率半径成反比。同理可证明，对于凹形液面：同理可证明，对于凹形液面：说明：说明：第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 17R1R2A A点的压强比点的压强比B B点的压强（点的压强（ ）球形液膜内外压强差球形液膜内外压强差CBAB B点的压强比点的压强比C C点的压强（点的压强（ ）因此，液膜内外的压强差为
12、：因此，液膜内外的压强差为：高高高高第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 18 由肥皂泡内外气体压强差可知：由肥皂泡内外气体压强差可知：打开连通管后，打开连通管后，B B 泡越小，泡越小，A A 泡越大泡越大。 由于由于由于由于 ，所以，所以，所以，所以例：例：如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右两端吹成一大一小两个气泡（假设肥皂薄膜厚度两端吹成一大一小两个气泡（假设肥皂薄膜厚度为定值为定值)。如果打开连通管，会出现什么现象？。如果打开连通管，会出现什么现象？第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面
13、现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 19毛细现象毛细现象酒精酒精灯灯的的灯灯芯是用棉芯是用棉线线捻成一束，棉捻成一束，棉线间线间的空的空隙相隙相当于当于毛毛细细管，酒精管，酒精经经由由这这些些间间隙上升至芯隙上升至芯头头。毛巾的一端浸入水中，毛巾的一端浸入水中，则整条毛巾会濡湿则整条毛巾会濡湿方糖的一角沾上水渍，方糖的一角沾上水渍，则整块则整块方糖方糖会渐潮湿会渐潮湿。植物植物根、茎、叶的脉络等根、茎、叶的脉络等也充也充当当毛毛细细管的角色，管的角色，根部的水分和根部的水分和养养分得以分得以输送输送至枝至枝叶叶。第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用
14、物理学理学 20三、毛细现象三、毛细现象 接触角接触角(contact angle)： 在接触界面处，液体表面的切线和固体表面的在接触界面处，液体表面的切线和固体表面的切线通过液体内部所夹的角度。切线通过液体内部所夹的角度。接接触决触决定定于于液液体体的的种类种类及接及接触触面的性面的性质质液体润湿固体液体润湿固体不润湿固体不润湿固体完全润湿完全润湿完全不润湿完全不润湿第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 21內聚力和附內聚力和附着着力力 分子力可分分子力可分为为內聚力內聚力：同同类类分子分子之之间间的吸引力的吸引力。附附着着力力：异类异类分子
15、分子之之间间的吸引力的吸引力。润湿与不润湿的原因润湿与不润湿的原因n nF F F F1 1 1 1为为为为來自液來自液來自液來自液体体体体內部分子的內聚力內部分子的內聚力內部分子的內聚力內部分子的內聚力；n nF F F F2 2 2 2为为为为來來來來自管壁分子的附自管壁分子的附自管壁分子的附自管壁分子的附着着着着力。力。力。力。附着层附着层第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 22静止静止水滴水滴在玻璃上的一般形状在玻璃上的一般形状静止静止水银滴水银滴在玻璃上的一般形状在玻璃上的一般形状液体和固体的性质液体和固体的性质润湿和不润湿决定于：
16、润湿和不润湿决定于：第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 23毛细现象毛细现象( (capillarity) )毛细现象：液体润湿管壁，液面上升，反之下降毛细现象：液体润湿管壁，液面上升，反之下降润湿管壁时的附加压强润湿管壁时的附加压强B点压强与点压强与C点压强相等，则点压强相等，则P0RrhP0BC管径愈小管中管径愈小管中的水柱愈高的水柱愈高第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 24接接触触角角与与液柱的升降液柱的升降毛毛细细管插入水槽中，內聚力小管插入水槽中，內聚力小于于附附着着力，力，接触
17、接触角角为锐为锐角，角，则则管內的管內的水柱水柱上升上升，水柱的液面，水柱的液面呈現周呈現周边边向上向上弯弯曲的弧面。曲的弧面。毛毛细细管插入管插入水银槽水银槽中，內聚力小中，內聚力小于于附附着着力，力，接接触角触角为钝为钝角，角，则则管內的管內的水银柱下降水银柱下降，水银柱水银柱的液面呈現周的液面呈現周边边向向下弯下弯曲的弧面。曲的弧面。第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 25水的表面张力系数是一温度的函数，若取水的表面张力系数是一温度的函数，若取t t为摄氏为摄氏温度可写成温度可写成 问温度由问温度由2020升高至升高至7070时，直径分
18、别时，直径分别d d1 1=0.1mm, =0.1mm, d d2 2=0.3 mm =0.3 mm 的两连通毛细管中水面高度差的两连通毛细管中水面高度差h h变化多变化多少？少？( (接触角为接触角为0)0)第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 26气体栓塞气体栓塞( (air embolism) )气体栓塞现象：气体栓塞现象：在润湿的情况下，当液体在细在润湿的情况下，当液体在细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动将管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动将受到阻碍，气泡多时可发生阻塞，这种现象叫做受到阻碍，气泡多时可发生阻塞，这种现象叫
19、做气体栓塞。气体栓塞。气体栓塞是由于润湿液体中弯曲液面气体栓塞是由于润湿液体中弯曲液面的附加压强所产生的。的附加压强所产生的。 第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 27表面活性物质表面活性物质表面活性物质表面活性物质 ( (surfactantsurfactant) )：能使液体的表面张能使液体的表面张力系数降低的物质力系数降低的物质 水的表面活性物质有胆盐、蛋黄素、肥皂以及水的表面活性物质有胆盐、蛋黄素、肥皂以及醚、醛等醚、醛等 非活性物质：非活性物质：能增加液体的表面张力系数能增加液体的表面张力系数 水的非活性物资有糖类、金属氧化物、淀粉
20、、食水的非活性物资有糖类、金属氧化物、淀粉、食盐等。盐等。表面活性物质在呼吸中的作用表面活性物质在呼吸中的作用第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 281. 1. 表面张力的大小：表面张力的大小：2. 2. 表面张力系数三定义表面张力系数三定义单位：单位：N/m、J/m2与表面相切，与面内分界线垂直。与表面相切，与面内分界线垂直。方向：方向：小结小结 3. 3. 弯弯曲曲液液面面内内外外的的压压强强差差：凹凹液液面面：P内内=P外外Ps ；凸凸液面：液面：P内内=P外外Ps 5. 5. 润湿与不润湿润湿与不润湿6. 6. 毛细现象毛细现象7.
21、7. 气体栓塞气体栓塞由于气体与液体间的曲面有附加压由于气体与液体间的曲面有附加压强而产生的强而产生的第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 29本章词汇：本章词汇：表面张力表面张力surface tension surface tension 附加压强附加压强additional pressureadditional pressure；自由度自由度degree of freedom; degree of freedom; 毛细现象毛细现象capillarity; capillarity; 气体栓塞气体栓塞air embolismair embolism第四章第四章 分子动力论分子动力论 液体的表面现象液体的表面现象 医用物医用物理学理学 30本章作业：本章作业：4-2；4-4；4-13；4-17
