大学物理课件：7-5 液体的表面现象.pptVIP

第五节 液体的表面张力及表面能 从气体到液体，很大的变化是分子间的距离缩短。 分子力的作用显著增加，表现出气体分子间所没有的内聚力和自由表面。 液体内部由于分子的紊乱运动，各个方向的物理性质是完全相同的，即各向同性。 但在液体的表面，无论是液体与空气之间的自由表面，还是两种不能混合的液体之间的界面， 或是液体与固体之间的界面，其各个方向的性质就完全不同。 例如沿着界面各个方向的性质与沿着界面法线方向的性质就不相同。 本节讨论与生命过程密切相关的表面张力及其影响。 热运动——大量分子的无规则运动。 物体的分子或原子都在作永不停息、无规则的热运动，物体温度愈高，热运动就愈剧烈。 分子结合成物体的凝聚态(液态和固态)，是靠分子间的引力作用。说明分子间存在有引力。 而固（或液）体在巨大的压力作用下，其体积改变甚微，这又表明分子之间还存在强大斥力。 分子力 —— 分子间的引力和斥力的统称。 物体微观结构 —— 物质是由大量分子组成。 所有分子都在不停地作无规则的热运动；分子间存在力的互相作用。 分子力使分子聚集在一起，在空间形成某种有规则的分布(有序排列)， 而分子的无规则热运动将破坏这种排列，使分子分散开来。 物质的聚集态通常有气态、液态、固态、液晶态、等离子态等。 在不同温度下，物体为不同的聚集态（由分子力的作用来决定的）。 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。 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。 演示表面张力的存在 在金属线框中间系一棉线圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。 用粉（铅）笔刺破棉线圈中央的液膜，棉线圈内侧张力消失，外侧表面张力立即将棉线圈绷成一个圆形。 因圆的表面积最大,故外侧液面收缩到最小表面积。图显示出表面张力的存在。 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。 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