液体的表面张力.ppt

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第第1章章流体力学流体力学l基本概念基本概念流体：

具有流动性的液体和气体；流体：

具有流动性的液体和气体；l基本内容基本内容流体静力学流体静力学流体动力学流体动力学1.2液体的表面现象液体的表面现象l理解液体表面张力产生的微观本质理解液体表面张力产生的微观本质;l掌握掌握表面张力系数的两种定义表面张力系数的两种定义;l掌握掌握弯曲液面的附加压强及计算弯曲液面的附加压强及计算;l掌握掌握毛细管现象中的朱仑公式。

毛细管现象中的朱仑公式。

叶面：

叶面：

疏水、不吸疏水、不吸水的表面水的表面，永遠保永遠保持一塵不染持一塵不染。

荷花效应荷花效应大珠小珠落玉盘大珠小珠落玉盘水黾的高明之处：

水黾的高明之处：

1、既不会划破水面，也不会、既不会划破水面，也不会浸湿自己的腿。

浸湿自己的腿。

2、它在水面上每秒钟可滑行、它在水面上每秒钟可滑行100倍于身体长度的距离，这倍于身体长度的距离，这相当于一位身高相当于一位身高1.8米的人以米的人以每小时每小时400英里的速度游泳。

英里的速度游泳。

问题问题1：

为什么小液滴和小气泡总是成球状而不会为什么小液滴和小气泡总是成球状而不会成别的几何形状（如立方体、多角形等）？

成别的几何形状（如立方体、多角形等）？

问问题题2：

水水在在玻玻璃璃管管中中呈呈凹凹形形液液面面（弯弯月月面面），而而汞在玻璃管汞在玻璃管（如血压计如血压计）中却呈凸形液面，为什么？

中却呈凸形液面，为什么？

问问题题3：

肌肌注注、输输液液、输输血血时时要要防防止止气气泡泡进进入入,为为什什么？

么？

液体的性质与其微观结构有关液体的性质与其微观结构有关液体具有一定的体积，不易压缩。

液体具有一定的体积，不易压缩。

液体分子间距较气体小了一个数量级液体分子间距较气体小了一个数量级,为为1010-10-10m，分子排分子排列较紧密，分子间作用力较大列较紧密，分子间作用力较大,其热运动与固体相似其热运动与固体相似,主要主要在平衡位置附近作微小振动。

在平衡位置附近作微小振动。

液体没有一定形状，并具有流动性。

液体没有一定形状，并具有流动性。

这是由于液体分子振动的平衡位置不固定，是近程有序，这是由于液体分子振动的平衡位置不固定，是近程有序，即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的规则性。

即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的规则性。

概概述述由由于于液液体体分分子子间间距距小小，分分子子间间相相互互作作用用力力较较大大，当当液液体体与与气气体体、固固体体接接触触时时，交交界界处处由由于于分分子子力力作作用用而产生一系列特殊现象，即：

而产生一系列特殊现象，即：

液体表面现象液体表面现象。

表面张力现象表面张力现象为什么水面上的小昆虫能在水面上行走，而不会沉入水中？

牛奶滴落在盘中的瞬间飞溅情形，呈现球状，在盘上方的牛奶呈现近乎完美的球形？

表面张力的演示实验（表面张力的演示实验

（1）圆形金属框上沾有肥皂泡沫，若将膜面上的棉线圈内部的圆形金属框上沾有肥皂泡沫，若将膜面上的棉线圈内部的膜戳破，那么棉线圈将被液体的表面张力拉成圆形；膜戳破，那么棉线圈将被液体的表面张力拉成圆形；表面张力的演示实验（表面张力的演示实验

（2）橄橄榄榄油油滴滴浮浮在在同同密密度度的的水水和和酒酒精精的的混混合合液液体体中中，由由于于表表面面张张力力的的作用，油滴形成作用，油滴形成完美的球形完美的球形。

第第1.21.2节节液体的表面张力液体的表面张力一、表面张力一、表面张力1.1.现象：

现象：

说说明明：

液液面面上上存存在在沿沿表表面面的的收收缩缩力力作作用用，这这种种力力只存在于液体表面。

只存在于液体表面。

（2）.

（2）.液面像紧绷的弹性薄膜。

液面像紧绷的弹性薄膜。

（1）.

（1）.液体表面有收缩到最小的趋势；液体表面有收缩到最小的趋势；2.2.表面张力表面张力

（1）

（1）表表面面层层：

在在液液体体与与气气体体交交界界面面，厚厚度度等等于于分分子有效作用距离子有效作用距离（=10-8m）的一层液体。

的一层液体。

（2）

（2）表表面面张张力力：

液液体体的的表表面面层层中中有有一一种种使使液液面面尽尽可能收缩成最小的宏观张力。

可能收缩成最小的宏观张力。

分子力观点：

分子力观点：

表表面面张张力力是是由由于于液液体体表表面面层层内内分分子子间间相相互互作用与液体内部分子间相互作用不同。

作用与液体内部分子间相互作用不同。

分子作用球分子作用球（约约10-8m）：

在在液液体体内内部部PP点点任任取取一一分分子子A,以以A为为球球心心，以以分分子子有有效效作作用用距距离离为为半半径径作作一一球球，称称为为分分子子作作用用球球。

球球外外分分子子对对A无无作作用用力力，球球内内分分子子对对A的的作用力对称分布，合力为零。

作用力对称分布，合力为零。

（3）（3）表面张力产生的微观本质表面张力产生的微观本质分分子子力力：

在在液液体体內內部部的的分分子子之之间间，彼此互相吸引力彼此互相吸引力，忽略了斥力；，忽略了斥力；分子间既有引力作用分子间既有引力作用又有斥力作用又有斥力作用平衡位置平衡位置斥力起主要作用斥力起主要作用引力起主要作用引力起主要作用v12rdv12=0R分子有效作用半径分子有效作用半径分子力是短程力！

分子力是短程力！

r分子有效直径分子有效直径fffn从表面层从表面层中中Q、R、S点点任取一分子，其分子作任取一分子，其分子作用球一部分在液体外，空气密度比水小，破坏用球一部分在液体外，空气密度比水小，破坏了表面层的分子受力的球对称性；了表面层的分子受力的球对称性；n其受合力与液面垂直，指向液体内部，这使得其受合力与液面垂直，指向液体内部，这使得表面层内的分子与液体内部的分子不同表面层内的分子与液体内部的分子不同,都受一都受一个指向液体内部的合力个指向液体内部的合力fn越靠近表面，受到的越靠近表面，受到的ff越大；越大；n在在ff作用下，液体表面的分子作用下，液体表面的分子有被拉进液体内部的趋势。

有被拉进液体内部的趋势。

n在在宏宏观观上上就就表表现现为为液液体体表面有收缩的趋势。

表面有收缩的趋势。

任任何何系系统统的的势势能能越越小小越越稳稳定定，所所以以表表面面层层内内的的分分子子有有尽尽量量挤挤入入液液体体内内部部的的趋趋势势，即即液液面面有有收收缩缩的的趋趋势势，使使液液面面呈呈紧紧张张状状态态，宏宏观观上上就就表表现现为液体的表面张力。

为液体的表面张力。

体积一定体积一定,球体的表面积最小球体的表面积最小;从能量观点来分析从能量观点来分析u把分子从液体内部移到表面层，需克服把分子从液体内部移到表面层，需克服f作功作功;外力作功外力作功,分子势能增加分子势能增加,即即表面层内分子的势表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大，表面层为高势能能比液体内部分子的势能大，表面层为高势能区区;u表面层内表面层内,各个分子势能增量的总和称为各个分子势能增量的总和称为液体的液体的表面能表面能，用，用E表示表示。

设设想想在在液液面面上上画画一一条条直直线线段段，线线段段两两侧侧液液面面均均有有收收缩缩的的趋趋势势，即即有有表表面面张张力力作作用用，该该力力与与液液面面相相切切,与与线线段段垂垂直直，指指向向各各自自的的一一方方,分分别别用用F和和F表表示示，这这恰恰为为一一对对作作用用力力与与反反作作用力，用力，F=-F。

（4）.（4）.表面张力系数（定义一）表面张力系数（定义一）为为表表面面张张力力系系数数，表表示示液液体体表表面面单单位位长长度度直直线线段段上的表面张力，单位：

上的表面张力，单位：

N/m。

由由于于线线段段上上各各点点均均有有表表面面张张力力作作用用,线线段段越越长长,则合力越大。

设线段长为则合力越大。

设线段长为l,则：

则：

F=l。

如如图图所所示示，铁铁丝丝框框上上挂挂有有液液膜膜，表表面面张张力力系系数数为为，将将AB边边无无摩摩擦擦、匀匀速速、等等温温地地右右移移x，在在AB边边上上加加的的力力为为：

F=2=2l，则则在在这这个个过过程程中中外外力力F所所做的功为做的功为:

其其中中SS=2lx,是是AB向向右右移移动动过过程程中中液液面面面面积积的的增增量量。

外外力力克克服服分分子子间间引引力力做做功功，液液体体表表面面能能增增加加，若若用用E表表示示表表面能增量，则：

面能增量，则：

表表面面张张力力系系数数在在数数值值上上等等于于增增加加单单位位液液体体表表面面积积时时，外外力力所所需需做做的的功功，或或增增加加单单位位液液体体表表面面积积时时，所所增增加加的的表表面面能能比表面能比表面能；（5）.（5）.表面张力系数与表面能增量（定义二）表面张力系数与表面能增量（定义二）例题例题1-51-5：

P31P31当当许许多多半半径径为为r的的小小水水滴滴融融合合成成一一个个半半径径为为R的的大大水水滴滴时时释释放放出出的的能能量量。

水水的的表表面面张张力力系系数数在在此过程中保持不变，假设水滴此过程中保持不变，假设水滴为球状。

为球状。

表明：

小水滴融合成大水滴时，要释放出能量；表明：

小水滴融合成大水滴时，要释放出能量；反之，大水滴分散成许多小水滴时，要吸收外界反之，大水滴分散成许多小水滴时，要吸收外界能量；如：

静电喷雾能量；如：

静电喷雾补充例题：

补充例题：

水水和和油油边边界界的的表表面面张张力力系系数数1810-3N/m，为为了了使使M=1.010-3kg的的油油在在水水内内散散布布成成半半径径r10-6m的的油油滴滴，需需要要做做多多少少功功?

散散布布过过程程可可以以认为是等温的，油的密度为认为是等温的，油的密度为0.9103kg/m3;与与液液体体的的性性质质有有关关：

不不同同液液体体，值值不不同同；密密度度小小、易易挥挥发发的的液液体体值值较较小小。

如如:

酒酒精精、乙乙醚醚的的值值很很小小，金属熔化后的金属熔化后的值很大。

值很大。

与与相相邻邻物物质质化化学学性性质质有有关关：

同同一一液液体体与与不不同同物物质质交交界，界，值不同。

值不同。

与与温温度度有有关关：

温温度度升升高高，值值减减小小。

当当液液体体沸沸腾腾时时表面张力系数为零。

表面张力系数为零。

（P31表表1-4）与与液液体体内内所所含含杂杂质质有有关关：

在在液液体体内内加加入入杂杂质质，液液体体的的表表面面张张力力系系数数将将显显著著改改变变，有有的的使使其其值值增增加加；有有的使其的使其值减小。

使值减小。

使值减小的物质称为值减小的物质称为表面活性物质表面活性物质。

三三.影响表面张力系数的因素影响表面张力系数的因素u表面活性物质在农药、医药、冶金、石油、民用洗涤、食品等各领域得到广泛的应用。

u肥肥皂皂就就是是最最常常见见的的表表面面活活性性物物质质。

肥皂水的表面张力系数约为4010-3N/m，是纯水的一半。

一般说来，醇、酸、醛、酮等有机物质大都是表面活性物质。

u表面活性物质在水溶液中，能使不溶或微溶于水的有机物质的溶解度显著增加，这种现象称为增溶作用增溶作用（或加溶作用或加溶作用）。

u增增溶溶作作用用在工业、农业及日常生活等各方面得到广泛应用。

在制备农药时，为使一些不溶于水的药物成为乳浊液，常加入增溶剂，以提高药效；u另外，为了使喷洒在作物叶片上的农药能适当地展布开来，往往也要在稀释过的农药中加入表面活性物质：

皂素、皂角粉、肥皂水皂素、皂角粉、肥皂水；u但对酶类结构的杀虫利，会因肥皂水而使药物水解。

近年来常采用阴离子型表面活性物质（农乳500）和非离子型表面活性物质（如宁乳0204），以克服使酯类农约水解的缺点。

u在冶金工业中，为加加快快熔熔融融金金属属的的结结晶晶速速度度，在金属中加入表面活性物质降低其表面张力系数。

如：

钢液结晶时加入不同含量的硼会改变表面张力系数值。

1.2.3弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强自自然然界界中中有有许许多多情情况况下下液液面面是是弯弯曲曲的的，液液滴滴、水水中中的的气气泡泡、肥肥皂皂泡泡、人人体体肺肺泡泡内内壁壁覆覆盖盖的的一一层层粘粘液液等等等等，它它们们的的液液面面都都是是弯弯曲曲的的。

有有的的弯弯曲