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1、第7章 液体的表面性质 71 液体的表面张力,目 录,一、液体的表面现象,二、液体的表面张力,三、液体的表面能与表面收缩,研究的意义,液体在生物体内及其周围环境中占有很重要的地位,液体的主要特征,它和空气接触有一个自由表面，,和固体接触处有一个附着层，因而 表现出一系列表面现象。,研究的角度,分子运动的角度解释研究宏观问题 分子热力学,现象展示,浮在水面上的昆虫,肥皂膜收缩把线拉成一个弧形 线被绷紧,总之:液体表面有收缩到最小的趋势，这种使液体表面收缩的力称为表面张力。,注: 不仅在周界上有表面张力存在, 而且在液面上的任何地方都有表面张力存在, 否则液面将无法收缩,1、液体的表面层,2、定性
2、了解表面张力,3、表面张力系数是一个重要值,表面张力,分子力,液体分子间表现出相互的吸引力，这是液体分 子聚集的主要原因,再看分子力,分子力作用半径,能够发生作用的最大分子间距 Re,以Re为半径的圆球内的 所有分子都能对中心分 子产生作用力,Re,分子力作用球立体的球,液体表面层,将液面下Re厚的液体层定义为液体表面层。,注：,1）液体表面层并不是一 个几何面，而是一个 厚Re的薄层；,2）当液面增大时，表面 层中的分子数增多,5、液体分子受力情况（不计重力）,A,B,C,Re,Re,Re,合引力：0,该力总是力图使表层分子往液体内 部走，而液体是不易压缩的，于是 表面有收缩的趋势,回,定性
3、了解表面张力,F1、F2大小等方向反， 与MN界相垂直，与 液面相切,不考虑边界效应,注,A）、F1、F2是大量分子宏观作用的结果；,B）、这种液体表面层各部分之间的拉力，称 为表面张力；,C）、要区分表面张力与前部分所讲液体表面层 中分子的受力；,表面张力：是表面层上分子的宏观力效果，与液 面相切,液体表层中分子受力：是表面分子受到的指向液 体内部的不平衡力。,回,定义1（从表面张力角度）：,设想某一分界限上的张力f，它与边 界长L成正比,f= L,表面张力系数,表示在分界线上单位长度的表面张力,SI： N/m,将在实验室中测量,fA,fB,A,B,表面张力的方向： 与分界线垂直并与液体表面
4、相切。 表面张力大小：,定义2（从作功的角度）,AB边可以沿框自由滑动，作用在AB边上的张力为f,f,AB=L ABCD中是皂膜,f=2 L,要保持膜平衡，则应加一平衡力F,A,B,做功：A=F X,=2LX=S,注,1）S=2LX 表示移动过程中增加的液 面，此例中为双层；(如吹泡),2）定义：在等温条件下，表面张力系数等 于增加单位表面积时外力所作的功。,3）SI： J/m2,常见液体的表面张力系数,常見液體的表面張力系数,与相关的因素至少一般有,1）液体自身的性质,小，易蒸发的液体，小； 大，不易蒸发的液体，大,2）温度：同一种液体，随温度的升高而减小，,当0时，对应临界温度,注：水在1
5、000时，5910-3 N/m,（书P129表7-1）,理解,3）相邻的物质,接触面上的介质要对其产生影响,4）杂质：,加入杂质可明显改变表面张力,在液体中加入杂质能显著地减小这种液体的表 面张力系数，则称这种这种物质为这种液体的 表面活性物质。,20下，水中溶有肥皂，表面张力系数将从 72.7510-3Nm，减至4010-3Nm）,关于肺泡,小于10-4米的小襄,内壁上有粘液层,正常吸气时，肺内气压低于大气压约3mmHg,（氧与血中的二氧化碳进行交换 ）,肺泡半径大约要从0.510-4m 扩大到110-4m,应用理解,粘液带给肺泡的张力系数正常时 约为0.05N/m,使肺泡收缩的趋势.,扩张
6、肺泡,肺泡的弹性回力,液膜的表面张力回缩,肺没有横纹肌,横隔膜的上下动来调节胸 腔的空间,肺泡壁分泌,表面活化剂(卵磷脂),活化剂浓度大,小，易扩张,肺泡较大后，表面活化剂浓度降低,增大，则抑制扩张至平衡点为止,第一次扩张肺泡，所需压强差达30mmHg,回顾： 一物体A从高点自由下落到低点时，其 动能、势能如何改变？,A,顺着力的方向， 势能会减小,克服力作功才能成功，其结果是，进入表面层 后，这一分子势能增加。,定义,表面层中所有分子高出液体内部分子的那部分势 能的总和，叫液体的表面能（也叫表面自由能）,注：,1）表面能表述的是宏观性质，而不是某一分子的 势能；,2）液体的表面积越大，表面能
7、越大；,3）任何一个系统，当它处于稳定状态时，势能 应最小。（站立与躺下）,总之,对于液体系统，在液面静止的情况下， 应具有最小的表面能，要减小表面能，则 应减小表面积，液体往中间走，故在宏观上， 液体表面有收缩的趋势。,由于液体体积一定，而液体又极难压缩， 因此表面收缩的结果是使液面呈紧张状态 （类似有一薄膜），于是出现表面张力,小结：表面张力系数的定义,定义1：,定义2：,定义3：,实质是一样的,P129例题1： 试求当许多半径为r的小水滴融合成一个半径 为R的大水滴时释放出的能量，假设水滴呈 球状，水的表面张力系数在此过程中保持 不变。,解：设小水滴的数目为N，融合过程中释放出 的能量为
8、水滴表面积减小时所减小的表面能,融合前后水滴的总体积保持不变,其中,类似: 欲使1.0103kg质量的油在水内散布成半径r=106m的小油滴, 需要作多少功? 散布过程视为等温。已知水和油边界的表面张力系数=1.8102N/m，油密度=900kg /m3。,解：一个大油滴等温地散布成大量小油滴时，能量仅消耗在增加的表面积上，因此所需作功为,式中S是所增加的表面积。设n是小油滴数目，r和R分别为小、大油滴的半径，则,因为过程中油的质量不变，故有,由此得,所以,小油滴数n为,因为1与n1/3比较可以忽略, 最后求得,同一种液体，温度升高时液体的表面张力系数一般是- (A) 增大 (B) 减小 (C) 不变,思考：,