表面张力.ppt

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1、液液 体体一、液体的微观结构一、液体的微观结构 液晶液晶1、液体的微观结构、液体的微观结构 问题：液体分子的运动在微观上是接近于固体还是更接近于气体？问题：液体分子的运动在微观上是接近于固体还是更接近于气体？实验事实实验事实1：对大多数物质而言，：对大多数物质而言，固体熔化成液体时体积增加固体熔化成液体时体积增加10%，即分子距离增加，即分子距离增加3%液体汽化时，体积约增加为原来的液体汽化时，体积约增加为原来的1000倍，倍，即分子间距离增大为原来的即分子间距离增大为原来的10倍倍实验事实实验事实2：各种物质的汽化热都远远大于其熔解热：各种物质的汽化热都远远大于其熔解热液体在微观结构上应该更

2、接近于固体液体在微观结构上应该更接近于固体实验事实实验事实3：伦琴射线研究溶解和结晶过程：伦琴射线研究溶解和结晶过程液体分子近程有序液体分子近程有序分子基团（线胞）分子基团（线胞）高基团彼此之间的方位是完全无序的高基团彼此之间的方位是完全无序的宏观上表现为液体各向同性宏观上表现为液体各向同性定居时间定居时间 ：在一定的温度与压强下：在一定的温度与压强下液体分子在每一平衡位置振动的时液体分子在每一平衡位置振动的时间的平均值。间的平均值。数量级：液态金属，数量级：液态金属，水，水，定居时间定居时间 的长短取决于分子力的长短取决于分子力f 的大小和分子无规则运动的强弱的大小和分子无规则运动的强弱fT

3、2、液晶、液晶（1）液晶的发展过程）液晶的发展过程1888年奥地利科学者莱尼茨尔年奥地利科学者莱尼茨尔苯甲酸胆固醇加热至苯甲酸胆固醇加热至1450C时，发现其结晶体开始时，发现其结晶体开始溶解并变成混浊状态，继续加热到溶解并变成混浊状态，继续加热到1790C时才变成时才变成各向同性的真液体。各向同性的真液体。在在1450C到到1790C之间之间介于液态与晶台态之间的一种介于液态与晶台态之间的一种 各向异性的凝聚流体。各向异性的凝聚流体。1890年德国物理学家雷曼发现：这种由固体向液体转化的中间态液体具有和晶体相似的性质液态晶体（液晶）液晶的性质：力学性质：流动性、连续性、可形成液滴光学性质、电

4、磁性质：各向异性（晶体性质）（2）液晶的应用）液晶的应用可可作为显示材料作为显示材料因为液晶分子的排列可以受到电的因为液晶分子的排列可以受到电的 控制而改变其光学性质。控制而改变其光学性质。（3）液晶的分类）液晶的分类热致热致液晶液晶由高分子聚合物加热由高分子聚合物加热 熔化而形成的液晶熔化而形成的液晶溶致溶致液晶液晶由高分子聚合物溶解于由高分子聚合物溶解于 溶剂（如水、硫酸等）溶剂（如水、硫酸等）而形成的液晶而形成的液晶电光效应、温度效应、磁效应、超声效应、辐射效应等电光效应、温度效应、磁效应、超声效应、辐射效应等热致液晶热致液晶向列型液晶胆甾型液晶近晶型液晶二、液体的表面性质二、液体的表面

5、性质表面层：在液体与气体、固体或不相溶合的另一种液体表面层：在液体与气体、固体或不相溶合的另一种液体 的接触面上，形成的一个厚度约为分子力有效的接触面上，形成的一个厚度约为分子力有效 作用距离的薄液层作用距离的薄液层1、表面张力的存在的现象、表面张力的存在的现象ABfCDABfFDC现象1现象2现象3PW使液面收缩的张力就是液体表面张力使液面收缩的张力就是液体表面张力2、表面张力系数的三种定义、表面张力系数的三种定义ABfFDC(1)从力的角度定义表面张力系数从力的角度定义表面张力系数AB平衡时，通过测F来确定f，实验表明：f与F方向相反，F的大小与液面的周界的长度L成正比即：f=L其中，表面

6、张力系数，大小等于液面上作用于单位长度线段上的表面张力本实验中，液膜有两个液面，所以，f=2L=f/2L（2）从外力作功的角度给出表面张力系数的第二种定义）从外力作功的角度给出表面张力系数的第二种定义ABfFDC由（由（1）可知，有力）可知，有力2L作用在作用在AB上。上。要要保持保持AB平衡，须加一外力平衡，须加一外力F，即：即：F=2L假设假设AB 移动一距离移动一距离X，则在这过程中，则在这过程中，F所作的功为：所作的功为：A=F X=2L*X=S=A/S即即等于增加单位表面积时，外力所需作的功等于增加单位表面积时，外力所需作的功（3）从能量的角度给出表面张力系数的第三种定义）从能量的角

7、度给出表面张力系数的第三种定义E=A=S=E/S即即等于增加单位表面积时所增加的表面能。等于增加单位表面积时所增加的表面能。3、影响表面张力系数的因素：、影响表面张力系数的因素：（1）、）、的的大小与液体的种类和成分有关大小与液体的种类和成分有关一般，易挥发的液体其一般，易挥发的液体其值值较小；熔化的金属较小；熔化的金属值很大值很大（2）、）、的大小与温度有关的大小与温度有关T通常相当准确地成线性关系通常相当准确地成线性关系（3）、）、的大小与液体所含杂质有关的大小与液体所含杂质有关有些杂质能使有些杂质能使减小（如肥皂）减小（如肥皂），有些杂质能使，有些杂质能使增大增大表面活表面活性物质性物质

8、现象（1）在水面上撒一些木屑，再在中间滴上一滴肥皂液（2）在水面上撒些樟脑晶粒例题：例题：ab已知：已知：m解：因为实验中，玻璃片解：因为实验中，玻璃片所受表面张力的边界长度所受表面张力的边界长度为：为：L=2a+2b，故故表面张力为：表面张力为：f=L=（2a+2b）=2（a+b）当天平第二次达到平衡时，由力的平衡条件得：当天平第二次达到平衡时，由力的平衡条件得：2（a+b）=mg所以，所以，4、表面张力产生的微观解释、表面张力产生的微观解释（1）从分子力角度：）从分子力角度：蒸汽蒸汽分子在分子在a点、点、b点时完全点时完全不会受液体的作用；不会受液体的作用；分子在分子在c点开始受到点开始受

9、到指向液体的引力；指向液体的引力；分子在分子在e点时受到点时受到的引力达到最大值；的引力达到最大值；分子在分子在g点时受到点时受到周围分子的合的引力为零。周围分子的合的引力为零。表面层表面层液体表面厚度液体表面厚度AN=S（分子作用半径）的一层。分子作用半径）的一层。与与液体内部相比，表面层少了一些吸引它的分子，产生引液体内部相比，表面层少了一些吸引它的分子，产生引力不对称，合力指向液体内部，从而产生表面收缩作用。力不对称，合力指向液体内部，从而产生表面收缩作用。液体表面层中的分子液体表面层中的分子受到的引力指向液内受到的引力指向液内LMAB液体液体abcegNOf（2）从分子数密度：）从分子

10、数密度：分子作分子作用半径用半径ABegfNSPQO液体中分子的振动液体中分子的振动离开平衡位置向上、离开平衡位置向上、下两边的振幅是不下两边的振幅是不对称的。对称的。OPOQS导致表面层的分子分布导致表面层的分子分布和液体内的分子分布如右图和液体内的分子分布如右图表面层的分子数密度表面层的分子数密度小于液体内部小于液体内部（3）从能量角度：）从能量角度：将将液体内部的分子移到表面层中来，液体内部的分子移到表面层中来，必须克服指向液内的分子引力而做功必须克服指向液内的分子引力而做功表面层中的分子具有较液体内部的分子的更大的势能表面层中的分子具有较液体内部的分子的更大的势能而而表面越大，在表面层

11、中的分子数就越多，整个表面层表面越大，在表面层中的分子数就越多，整个表面层的势能就越大，但势能越小越稳定，所以液面有收缩趋势的势能就越大，但势能越小越稳定，所以液面有收缩趋势表面层中的分子具有表面层中的分子具有大于液体内部分子的势能大于液体内部分子的势能三、球形液面内外的压强差三、球形液面内外的压强差由于表面张力的存在由于表面张力的存在液面是弯曲的液面是弯曲的液面内外存在一个压强差液面内外存在一个压强差附加压强附加压强凸凸液面：附加压强是正的液面：附加压强是正的内内外外液面内部压强大于液面外部压强液面内部压强大于液面外部压强凹液面：附加压强是负的凹液面：附加压强是负的内内外外液面内部压强小于液

12、面外部压强液面内部压强小于液面外部压强下面研究半径为下面研究半径为R的球形液面下的附加压强的球形液面下的附加压强如图，球半径为如图，球半径为R，取小液块（球缺，半径为取小液块（球缺，半径为r）COrR受力分析：取球缺为对象受力分析：取球缺为对象（1）表面张力）表面张力df圆周分力：圆周分力：df2合分力合分力（2）附加压强）附加压强P通过底面作用于液块的力：通过底面作用于液块的力：（即液块下部液面对其作用力与液块上部大气作用力之差）（即液块下部液面对其作用力与液块上部大气作用力之差）f1P（3）小液块重力（小，忽略）小液块重力（小，忽略）则根据受力平衡：则根据受力平衡：例题：求肥皂泡内外压差例

13、题：求肥皂泡内外压差A B C如图，取如图，取A、B、C三点，三点，压强为：压强为：PA、PB、PC则则结论：（小泡结论：（小泡R小小压强差大）压强差大）试验证明上例：试验证明上例：BC1C3C2A关闭C3，打开打开C1，C2，关闭C2，打开打开C1，C3，关闭C1，打开打开C2，C3，现象：小泡不断缩小，大泡不断增大现象：小泡不断缩小，大泡不断增大四、任意弯曲液面下的附加压强四、任意弯曲液面下的附加压强拉普拉斯公式拉普拉斯公式R1R2当当R1=R2得：球形液面附加压强公式得：球形液面附加压强公式对对柱形液面，柱形液面，R1=R，R2=附加压强为：附加压强为：（P334）五、润湿和不润湿现象五

14、、润湿和不润湿现象现象：现象：(1)水银滴在玻璃上（滚动）水银滴在玻璃上（滚动）水银不润湿玻璃水银不润湿玻璃(2)水滴在涂有石蜡的玻璃板上（滚动）水滴在涂有石蜡的玻璃板上（滚动）水不润湿石蜡水不润湿石蜡（3）水滴在干净的玻璃板上（板面上扩展）水滴在干净的玻璃板上（板面上扩展）水润湿玻璃水润湿玻璃（4）水银滴在干净的铜板上（板面上扩展）水银滴在干净的铜板上（板面上扩展）水银润湿玻璃水银润湿玻璃说明：湿润不湿润取决于固体和液体的性质说明：湿润不湿润取决于固体和液体的性质1、润湿和不润湿现象产生的原因、润湿和不润湿现象产生的原因主要是由于液体分主要是由于液体分子之间的吸引力（称为内聚力）与液体分子和

15、固体分子之子之间的吸引力（称为内聚力）与液体分子和固体分子之间的吸引力（称为附着力）二者的相对大小所决定的。间的吸引力（称为附着力）二者的相对大小所决定的。当当内聚力内聚力附着力，附着力，不润湿现象不润湿现象当附着力当附着力内聚力，内聚力，润湿现象润湿现象2、从能量的观点说明润湿和不润湿现象、从能量的观点说明润湿和不润湿现象说明：考虑分子A的受力情况，当内聚力当内聚力附着力，力附着力，力f垂直指向液体内部，分子从液体内垂直指向液体内部，分子从液体内部移到附着层，必须反抗合力部移到附着层，必须反抗合力f作功，结果使附着层中势能作功，结果使附着层中势能增大，而势能总是有减小的倾向，因此附着层有缩小

16、的趋势增大，而势能总是有减小的倾向，因此附着层有缩小的趋势固固体体液体液体Af附附着着层层固固体体液体液体Af附附着着层层厚度为d和l的大者反之。反之。3、表明润湿或不润湿程度的物理量、表明润湿或不润湿程度的物理量接触角接触角接触角接触角液体和固体接触处的表面切线夹角。液体和固体接触处的表面切线夹角。（角度朝向液体）（角度朝向液体）固固体体液体液体固固体体液体液体当当=0度度时，完全润湿时，完全润湿=180度度时，完全不润湿时，完全不润湿0 90，润湿润湿90 180，不润湿不润湿不润湿不润湿润湿润湿六、毛细现象六、毛细现象1、现象：管越细，水面升得越高、现象：管越细，水面升得越高管越管越细，

17、水银面降得越低细，水银面降得越低润湿管壁的液体在细管里升高；润湿管壁的液体在细管里升高；不润湿管壁的液体在细管里降低；不润湿管壁的液体在细管里降低；毛细现象：毛细现象：2、毛细现象原因分析、毛细现象原因分析BC当毛细管刚插入液中时，对润湿现象，由于接触角为锐角当毛细管刚插入液中时，对润湿现象，由于接触角为锐角液面会呈凹形，使液面下方液面会呈凹形，使液面下方B点压强小于大气压强，小于点压强小于大气压强，小于同高度同高度C点的压强，根据液体同高点压强相等原理，导致点的压强，根据液体同高点压强相等原理，导致液面要上升；相反，对不润湿现象液面要上升；相反，对不润湿现象3、具体讨论毛细现象中上升（或降低

18、）的高度、具体讨论毛细现象中上升（或降低）的高度 与哪些因素有关与哪些因素有关设液面半径为设液面半径为R，毛细管半径为毛细管半径为r，接触角为接触角为，液柱高为液柱高为h。由球形液面内外压强差公式得：由球形液面内外压强差公式得：2rhRP04、应用、应用例题、如图在内半径例题、如图在内半径r=0.30mm的毛细管中注水，一部的毛细管中注水，一部分水在管的下端形成一水滴，其形状可以认为是半径分水在管的下端形成一水滴，其形状可以认为是半径为为R=3mm的球的一部分，求管中水柱的长度的球的一部分，求管中水柱的长度h，水的水的表面张力系数表面张力系数=7.3*10-2N/mhAB解：解：A点的压强点的压强（凸液面）（凸液面）B点的压强点的压强（凹液面）（凹液面）根据流体静力学基本原理可知：根据流体静力学基本原理可知：所以，所以，