大学物理第9章 液体的表面现象.pptVIP

第9章 液体的表面现象 表面张力 表面能 9.1 弯曲液面内外的压强差 9.2 9.1 表面张力 表面能 9.1.1 表面张力 任何一个小单元液体如果忽略其重力作用，将形成球状。 诸如荷叶上的小水珠、玻璃片上的小水银珠等。 因为凡是体积相同而表面积最小的形状就是球形，一定体积的液体表面具有收缩到最小表面积的趋势。 这种沿着液体表面相切方向，使液面具有收缩趋势的力，称为表面张力。表面张力类似于固体内部的拉伸应力，这种应力存在于极薄的表面层内，是表面层内分子作用的结果。 图9-1 液体分子受力情况图 图9-2中的长方框所围的是一液体表面。 设想此表面上有一条分界线MN，将液面分为I和Ⅱ两部分，设I部分吸引Ⅱ部分分子的力为f1 ，Ⅱ部分吸引I部分分子的力为f2 。 f1和f2大小相等，方向相反，并与MN垂直。这就是液面上相接触两部分表面相互作用的表面张力。 9.1.2 表面张力系数 表面张力的大小可以通过表面张力系数来描述。 图9-2中的线段MN长度L越长，由于线段L上每点都受力，因此I、II两部分间表面张力越大。实验表明：表面张力f作用在表面任意分界线的两侧，其方向沿着液体表面，并且与分界线垂直；其大小与分界线长度L成正比，即 f = ? L 图9-2　表面张力 9.1.3 表面能 现在计算在图9-3情形中使液体表面积增加时做功的情况。图中用外力F使AB向右移动距离Δx ，设移到A′B′位置，外力克服分子间引力所做的功为 式中，ΔS为液膜面积的增量。根据功能原理，这个功应等于液膜增加表面积时所增加的分子势能?EP ，分子势能也称表面能(surface energy)或表面自由能。即 或 图9-3　表面张力与表面能的关系 9.2 弯曲液面内外的压强差 9.2.1 弯曲液面的附加压强 如图9-4所示，在液面的某一部分，任意取一块小面积元dS，dS以外的液面对dS一定有表面张力的作用。 图9-4 弯曲液面的附加压强 图9-5　球冠形液面下的附加压强 9.2.2 液膜表面的附加压强 对于图9-6所示球形液泡（如肥皂泡）来说，由于液膜有两个表面，而且膜很薄，R1 ≈ R2 ≈ R 。O点在液泡外，压强为pO ；B点在液膜中，压强为pB ；A点在液泡内，压强为pA 。因此液泡内外的总压强差为 图9-6 液泡内外的压强差 图9-7 气体从小泡流入大泡 9.3 润湿和毛细现象 9.3.1 润湿现象 液体表面具有收缩到最小面积的趋势，小液滴似呈球形。 但在一水平干净的玻璃板上放一滴水，它不但不缩成球形，反而在玻璃板面上展延成薄层，这种现象称为润湿现象或浸润现象。 然而，将一滴水银放在干净的玻璃板上，它将缩成球形，且可以在板上任意滚动而不附在板上，这种现象称为不润湿现象或不浸润现象。 图9-8　液体—固体边界的附着层 图9-9　液体—固体边界的接触角 9.3.2 毛细现象 将极细的玻璃管插入水中时，管中的水面会升高，并且管的内径越小，水面升得越高。 相反，将这些玻璃管插入水银中，管中的水银面会下降。 这种液体在细管中上升或下降的现象，称为毛细现象。 图9-10　毛细现象 9.4 表面吸附和表面活性物质 液体Ⅰ在液体Ⅱ的表面上伸展成薄膜的现象称为液体Ⅱ对液体Ⅰ的表面吸附，而把液体Ⅱ称为对液体Ⅰ的吸附剂。 一种液体在另一种液体上伸展成薄膜的现象称为表面吸附现象。水面上的油膜是日常很容易观察到的表面吸附现象。 9.4.1 表面吸附现象的解释 一种密度较小的液滴Ⅰ浮在另一种密度较大的液体Ⅱ的表面上，如图9-11所示。 图9-11　表面吸附现象的解释 9.4.2 表面活性物质 对于溶液，其表面张力系数通常都与纯溶剂的表面张力系数有差别，有的溶质使溶液的表面张力系数减小，则称为表面活性物质；有的溶质表面张力系数增大，则称为表面非活性物质。