物理论文发表液体表面层内的侧向应力.PDFVIP

中国月期刊咨询网 物理论文发表:液体表面层内的侧向应力 副标题#e# 液体表面层内的侧向应力 刘月茹 河北传媒学院石家庄050071 摘要： 本论文通过对液体表面张力发生的道理以及表面层内部引应力和斥应力分别沿正向和侧向的变化情况的分析来研究表 面层内的侧向应力与何物理量有关，并且进一步说明利用正侧向的引应力表示侧向应力的原因。 关键字：表面层表面张力正向应力侧向应力 一表面张力 从液体的表面层以下厚度等于分子力作用半径的一层液体层，叫做液体表面层。微观的角度看，液体表面并不是一个 几何面，而是有一定厚度的薄层。液体表面层具有收缩趋势。由于表面层内的分子力作用，使分子都受到一个与液体 自由面相垂直，方向指向液体内部的作用力。表面张力就是由表面层中应力的各向异性所引起的。 在液体表面的附近在沿液面的方向有正的应力存在，具体的说通过一个垂直于液面的截面两边的分子是相互吸引的： 如果沿液面方向的应力存在于一个厚度为D的表面层中，同时应力在表面层内的平均值S则表面张力可以表示为T=S+ D（1）因为表面张力代表横过夜面上单位长度的总的张力，上式还可以用积分更精确的表示出来。如果（x）代表距 液面x处沿液面方向的应力，则T=∫S（x）dx（2）但是（上限∞表示积分应包括所有S（x）不等于零点的地点，实际 上S（x）主要只存在于液面的附近，所以积分中也只有x很小的一部分才真实存在） 二两个关键性因素 为了解表面张力发生的道理，首先需要注意以下两点： （1）分子间的作用力一般都是由吸引力和推斥力构成的，吸引力和推斥力的的特征有下列主要区别： 两个分子间的吸引力和推斥力虽然在分子间距离增加时都要减弱，但是两着的有效距离很不同。分子间的推斥力可以 认为在分子间的接触时才发生，而间距着多数其他分子的两个分子还可以有一定的吸引力。至于吸引力的有效作用距 究竟有多大，或者说，分子相隔多远时吸引力才可以不记,则决定于分子的性质，不能一般的说明。以下，我们普遍 的用d代表分子件吸引力的有效作用距离。 其次，分子间距离改变时，推斥力和吸引力都改变，但是比较起来，推斥力改变得慢。换句话说，由于相同的距离变 化，分子间的推斥力变化比吸引力的变化大很多。 （2）液体的性质在液体内部是各向同性的，但是在表面的附近则不然。 液体内部的各向同性，直接的反映在流体静力学的基本定律中——在静止流体内一点各方向的压强（负应力）相等。 原理也很简单，流体内的分子不象固体，没有持久性的排列，因此，以一段适当时间内的平均情况（宏观看法），环 绕液体内部一点分子在各个方向的分布是均匀的。因而构成的情况就不同了。比如，我们考虑位置在厚度等于d（吸 引力有效作用距离）的表面层里面的一点，0点显然受到液面外没有分子存在的影响（线荫区域），图中箭头所指上 午方向情况都不相同，因此，表面层内的情况不是各项同性的。在这里，上述的流体静力学定律也就不能应用，换句 话说，在表面层内一点不象液体内部，各方向的应力并没有理由是相同。 三液体内的应力 计算应力时，我们可以分别考虑分子间的吸引力和推斥力。这样就把应力也分为两部分。两部分的数值，我们分别称 之为引应力和斥应力。所以应力=（引应力）—（斥应力）由关键因素（2）可知，在液体内部，无论引应力或是斥 应力，都保持在各方向相等。用P代表在液体内部一点的压强（应力=—P）于是 （引应力）—（斥应力）=—P（4）在通常限度内，压强对液体密度的影响很小。所以压强改变时，分子间的距离只 略微变更。因此，引应力几乎是不变的。而写为引应力=A（5）这里A可以看作一个不变常数（即与P的大小无关）， 把（5）式代入（4）式，得到斥应力=A+P（6）（5）（6）两式表明，液体内部的变化主要是由于斥应力引的变化， 引应力保持几乎不变的数值。（5）（6）两式的物理意义也可以这样理解： 当液体密度有微小的改变时，由于推斥力很灵敏的为分子距离所影响，所以斥应力发生一定的变化，但是引应力则几 乎不受影响，因此斥应力的改变直接表现为压强的改变。 一般液体内部的引应力A都十分大，数值在100000atm左右，所以在一般情况下AP 这说明，在液体中，引应力和斥应力都很大，两者几乎抵消，中间很小的差距才是液体的压强。 以上是液体内部的情形到了表面层内，引应力和斥应力之间产生了更基本的区别。因为斥应力是由相互接触的分子所 产生的，所以，除液体的极表面之外，在表面层内各点上的斥应力仍就可以看作是各向同性的。换句话说，在差不多 整个表面层内，斥应力仍旧保持着在各方向相等。然而，由于液体的性质