液体的表面现象－医用物理学

液体的表面现象－医用物理学内容摘要：

液体的表面现象－医用物理学 § 7体的表面现象医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象一、液体的表面张力及表面能液体表面像张紧的弹性膜一样，具有 收缩的趋势。 （ 1）毛笔尖入水散开，出水毛聚合；（ 2）蚊子能够站在水面上；（ 3）钢针能够放在水面上；（ 4）荷花上的水珠呈球形；（ 5）肥皂膜的收缩 种存在于液体表面上的张力称为表面张力。 说明：力的作用是均匀分布的，力的方向与液面相切；液面收缩至最小。 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象实验表明 2)f(1)f 称为表面张力系数，表示 单 位长度直线两旁液面的相互作用拉力。 1. 表面张力2. 表面张力系数的基本性质（ 1）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小。 （ 2）同一种液体的表面张力系数与 温度 有关，温度越高，表面张力系数越小。 （ 3）液体表面张力系数与 相邻物质的性质 有关。 （ 4）表面张力系数与 液体中的杂质 有关。 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象表面张力的微观本质 是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。 从 能量的角度 来解释表面张力存在的原因。 分别以液体表面层分子 A 和内部分子 子有效作用距离为半径作球（ 分子作用球 ）。 对于液体内部分子 B ，分子作用球内液体分子的分布是 对称的 ；受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。 3. 液体 表面张力的微观本质医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象对于液体表面层的分子 A，分子作用球中有一部分在液体表面以外，分子作用球内下部液体分子密度大于上部；当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能。 所以 液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大。 由势能最小原则，在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态。 从 力的角度 看，就是有表面张力存在。 统计平均效果 所受合外力指向液体内部 ，因此有向液体内部运动的趋势。 七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象4. 液体 的表面能F 做功为： 2 S S 指的是这一过程中液体表面积的增量，所以： 表示 增加单位表面积时，外力所需做的功2从做功的角度定义从表面能的角度定义由能量守恒定律，外力 F 所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为 液膜的表面能 E 储存起来，即： 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象则大水滴的面积为424 例解 设小水滴数目为 n ， n 个小水滴的总面积为在融合过程中，小水滴的总体积与大水滴的体积相同，则33 3434 33表面张力系数求 所释放出的能量溶合过程中释放的能量 2)1(4 )44( 22 半径为 r =2× 10=2(假设水滴呈球状，水的表面张力系数=73× 10医学物理学（第七版）第七章 分子动理论二、弯曲液面的附加压强对于弯曲液面来说，由于液体表面张力的存在，在靠近液面的两侧就形成一压强差，称为附加压强。 f 0略其所受的重力）， 水平液面 : § 7体的表面现象即10 0P P P P P 外内 其中： 液面内侧的压强，液面外侧的压强。 P P P 外内 可知10学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象分析小薄层液片受力情况，02分析小薄层液片受力情况，表面张力的合力 的方向与凸面法线方向相反， 合凹形液面 ： 合所以表面张力的合力方向不同，决定了是 P>0还是 P<0 凸形液面 ：所以表面张力的合力 的方向与凹面法线方向相反， 合f f 0+P=P P P 30 0P P P 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象 球形液面的附加压强 （附加压强与表面张力的定量关系）首先 ， 在如图的球形液面上取一球帽形的小液块 ,其周界是半径为 周界以外的液面作用于该小液块上的表面张力 ， 处处与该周界垂直并与球面相切。 作用在一小段周界 s c o o /lf 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象由于对称性，沿整个圆周表面张力的水平分量的合力为零，而所有的竖直分量大小方向都相等，所以表面张力的总合力为： s s in 22对于小液块而言，在此过程中除表面张力外，还受到由于液体内外压强差而产生的垂直向上的压力，以及垂直向下的重力。 如果所选取的小液块足够的小，我们可以认为重力与前两者相比小的多，将其忽略不计。 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象压力的大小为：2f P r22 2 由于受力平衡，对小液块有：2 如果是凹形液面，则有2 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象 润湿和不润湿附着层： 在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层。 是由附着层分子力引起的润湿不润湿内聚力： 液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力： 固体分子对附着层内液体分子的吸引力润湿和不润湿决定于 液体和固体的性质。 三、毛细现象医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象内聚力 大于 附着力A 不润湿内聚力 小于 附着力A 润湿f f液体对固体的润湿程度由 接触角 来表示。 接触角： 在液、固体接触时，固体表面经过液体内部与液体表面所夹的角， 通常用 q 来表示。 液体 润湿 固体；当 时，2q当 时，2q 液体 不润湿 固体；当 时，0q 液体 完全润湿 固体；当 时，q 液体 完全不润湿 固体；q 润湿q 不润湿医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降。 这种现象称为 毛细现象。 细管。 毛细现象医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象1、毛细现象产生的原因毛细现象 是由于 润湿或不润湿现象 和 液体表面张力 共同作用引起的。 如果 液体对固体润湿 ，则接触角为 锐角。 固体液体体对固体不润湿 ，则接触角为 锐角。 固体液体加压强的存在将使 管内液面升高 ，产生 毛细现象。 容器口径很小，附加压强的存在将使 管内液面降低 ，产生 毛细现象。 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象2、毛细管中液面上升或下降的高度A 截面半径为 r 的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为 q。 设管内液面为一半径为 R 的凹球面qc o 由几何关系可知：附加压强为：R2c 0 P q c o 即 又B 且0B 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象q c o ：润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。 若液体不润湿管壁，则q 2q c o 得： 管内液面 下降。 在完全润湿或完全不润湿的情况下， q = 0 或 q = ，则：2医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象四、气体栓塞液体在润湿情况下在细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动就要受到阻碍，气泡多时将发生阻塞，这种现象称为气体栓塞。 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象这种现象对生物毛细管中液体的流动有影响。 P 逐渐增大右端的压强 ， 刚开始液滴并不移动 ， 只是右液面的曲率半径减小；只有当压强增量 超过一定的限度时 ， 液滴才开始移动。 P如果毛细管中有 n 个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强为 P ；如果要使这 n 个液滴移动，则最右端必须施以大于 P + 的压强。 P P +P P + 2P P + 3P P + 七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象当液体在毛细管中流动时 ， 如果管中出现气泡 ， 液体的流动会受阻 ， 如果气泡产生得多了 ， 就会堵住毛细管 ， 使液滴不能流动。 这种现象称为 气体栓塞现象。 气体栓塞现象的危害：（ 1） 静脉注射或肌肉注射时要将针管中的气体排除后再注射 ；（ 2）当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析出形成气泡；比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命。 （ 3）在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎。 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象从能量角度解释不润湿对于附着层内任意一分子 A ，当 内聚力大于附着力 时， A 分子受到的合力 f 垂直于附着层指向液体内部。 A f液体固体液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做 负功 （即分子势能增大），附着层内分子势能比液体内部分子势能大。 根据 平衡态势能最小的原则 ，附着层内的分子要尽量挤入液体内（即尽量处于低势能态），结果附着层收缩，表现为 液体不润湿固体。 医学物理学（第七版）第七章 分子动理论§ 7体的表面现象当 内聚力小于附着力 时，附着层内的分子 A 受到的合力 f 垂直于附着层指向固体表面。 从能量角度解释润湿液体固体液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做 正功 （ 即分子势能减小 ） ， 使得附着层内分子势能比液体内部分子势能小。 液体内部的分子要尽量挤入附着层，结果附着层扩展，表现为 液体润湿固体。