大学物理课件：6-5 液体的表面现象 .pptVIP

一、表面张力和表面能 表面张力 —— 液体表面有收缩最小表面积的趋势。 因为球形的表面积最小。 说明液体表面存在着收缩力，该力称为表面张力。 液体表面层 —— 厚度为分子作用半径 10-9 m 的薄层。 表面层内的分子 β 与液体内部的分子 α 的受力情况不一样。 以α和β为球心，画分子作用球。 液体内部分子α，受其周围分子的引力在各个方向大小相同，故合力为零。 处于表面层内的分子β； 其下部的分子对它的引力大于其上部的分子对它的引力； 合力垂直于表面层指向液体内部。 表面张力现象： 表面张力现象： 表面张力现象： 表面张力现象： 表面张力现象： 液体表面层受力情况 液体表面层受力情况 表面张力的大小可以用表面张力系数α来描述。 α—— 液体表面上单位长度所受的表面张力。 圆的表面积最大,故外侧液面收缩到最小表面积。图示表面张力的存在。 表面张力的大小可以用表面张力系数 α 来描述。 α —— 液体表面上单位长度所受的表面张力。 设在液面上画一长为 L 的线段，则表面张力位于线段两侧的液面上， F 正比于线段的长度 L，即 F =αL 密度小、易蒸发的液体其表面张力系数α较小。 同种液体的α值随温度的升高而减小。 表 不同液体与空气接触时的表面张力系数α 水的表面张力系数α与温度关系： 液体表面张力不同于弹性橡皮膜的张力。 弹性橡皮膜的张力随面积的增加而增加， 而液体表面张力却不受面积变化的影响。 弹性橡皮膜分子间距正比于膜面积，而液体膜尽管面积增大了，但液面分子间距却因液内分子的补充而得以维持不变。 位于表面层的液体分子，都受到垂直液面指向液体内部的分子引力作用， 这些引力分别被一些十分靠近的分子的斥力所平衡，使其能够停留在液体的表面层。 若使液体内部的分子移到表面层上，就必须反抗液体内部分子对它的引力而作功，以增加该分子的势能。 可见表面层上分子的势能高于液体内部分子的势能。 这些引力分别被一些十分靠近的分子的斥力所平衡，使其能够停留在液体的表面层。 若使液体内部的分子移到表面层上，就必须反抗液体内部分子对它的引力而作功，以增加该分子的势能。 可见表面层上分子的势能高于液体内部分子的势能。 由势能最小原理知，表面层的分子总是企图往液体内部迁移，致使表面积缩到最小。 反之增加液体的表面积，必须作功把更多的液体分子拉到液面上来，从而增加液体表面的势能。 液体的表面能又称为表面自由能，是在等温条件下，能量转变为机械能的表面内能部分。 二、表面能 由外力作功知，表面张力与液体表面能的关系。 表面能σ—— 液膜单位表面积所具有的收缩能。或增加单位液膜面积所增加的势能。 可见表面能σ在数值上等于表面张力系数α。 σ的单位 —— J·m-2 （或 N·m-1）。 从能量的角度看，σ大小等于增加单位液面积时外力所作的功（或增加单位液面积时所增加的表面自由能）。 [例题]已知几何参数如图所示。求：表面张力系数α和表面能σ。 解：∵液膜有两个表面， 　 ∴α在数值上等于σ 。 第六节 弯曲液面的 附加压强 图为 U 形金属框 ABCD，上面有一层液膜，金属框的一边 BC 长为 L，可以自由滑动， 因表面张力作用，液膜要收缩。 加大液膜面积，就得作功。 图中金属丝 BC 在外力 F 作用下向右移动 Δx，达到图中 B’C’ 位置。 因液膜有两个表面，故液膜表面积增加： ∴ ΔS = 2 ·（L·Δx ）， 外力 F = 2αL， 这时外力的功为： A = F · Δx = ΔW 。 * * §7 — 5 液体的表面现象 例如：荷叶上的小水滴、玻璃板上的水银都倾向收缩成球形。 产生表面张力的原因 —— 分子力的作用。 液体表面如同张紧的橡皮薄膜。 已知分子间的平衡距离 r≈10-10 m， 以 10-9 m为半径画一球面（分子作用球）， 只有在该球面内的分子才作用于球心的分子。 分子β愈接近液面，其上所受合力愈大。 可见，处于液体表面层的分子都受到一个指向液体内部的力的作用。 位于表面层的液体分子β，受到垂直液面指向液体内部的分子引力作用， 这些引力分别被一些十分靠近的分子的斥力所平衡，使其能够停留在液体的表面层。 液体表面在这些力的作用下，处于一种特殊的紧张状态，宏观上好象一个被拉紧的弹性橡皮薄膜（表面张力）。 以一定的拉力 F 相互作用，且力的方向恒与线段垂直。 表面张力系数α单位：N·m-1 。 不同的液体，其α值也不同。 液 体 温 度(℃) α(N·m-1或J·m-2) 丙酮 20 0．0237