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液体的表面现象
2018/2/20
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上章讨论的是液体流动时的规律,液体还有一个显著的特征是它的自由表面,由于自由表面的存在,使其出现了各种各样的表面现象。
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。
在液体表面,无论是液体与气体之间的自由表面,
两种不能混合的液体之间的液面或是液体与固体之间
的液面,各个方向的性质就很不相同,出现表面张力,
表面能,液面附加压强,毛细现象等一系列表面现象。
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§ 液体的表面张力和表面能
液体的表面层和表面能
表面张力系数
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一、液体的表面层和表面能
1、表面张力现象:
2、用分子力来解释表面张力:
①:分子平衡距离为r0 ~ 10-10m,
当分子间距r>r0时:
满足10-10m<r0<10-9m时分子力为引力
满足r0>10-9m时分子力趋近于0
液体表面如紧张的薄膜,有收缩成面积最小的趋势。
如:荷叶上的小水滴收缩成球形,
玻璃板上的水银小滴收缩成球形,
缝衣针可以轻轻地放在水面上而不下沉等。
都说明液体表面有张力的存在,这种能使表面缩小的
张力为表面张力。
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②分子作用球:
分子引力有效作用范围是半径为10-9m的球形区域,
落在此球面内的所有分子对球心分子都有引力作用,
这个球称为分子作用范围或分子作用球。
③表面层:
液体表面取厚度等于分
子作用球半径的一层为
液体表面层。表面层里
的分子受力情况与液体
内部有所不同。
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④:表面张力产生原因:
表面层内液体分子受到指向液体内部的力的作用,宏
观上表现为表面张力。
所有位于表面层内部的液体分子都受到垂直液面并
指向液体内部的分子引力作用。(而这些引力又被一
些十分靠近的的斥力所平衡,使这些分子能够停留
在液体的表面层。)
3、表面能:
将液体内部分子移动到表面层,需要克服引力作功,
使分子势能增加,所以表面层分子具有更多的势能:
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推论:
a):系统总有将势能减少到
最小的趋势,所以液体
表面积总是收缩到最小。
b):若要增加液体表面积,
需要作功移动更多的分
子进入表面层,增加势能。
定义:增加单位面积的液体表面积所作的功为
液体的表面能。单位:J/m2
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二、表面张力系数
2、表面张力的方向:
1、表面张力系数:
液面上单位长度的张力。用表示,单位:N/m
对于液体的边界上或液体表面上任何一条线的两侧
物质,彼此之间都有拉力作用,这个拉力处在液面平面
之内并与该线垂直。如下图所示:
金属丝环
丝线
(a)丝线套内肥皂膜未刺破时
(b)丝线套内肥皂膜刺破时
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4、若液膜有两个表面:
如图:U形金属框架ABCD有
一可以滑动的金属丝BC,其
上有一液体薄膜。
L
F
2L
A
B
C
D
B
C
Δx
为保持金属丝不动需要有
一外力F将BC边拉住。
3、表面张力的大小:
跟液面设想(或研究)的分界线的长度成正比,
可以写成:
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由于液薄膜有两个表面,所以金属丝平衡时有:
或
1)表面张力系数与液体的性质(纯净度)有关,随
温度变化:
说明:
2)表面张力不随面积变化,因为液面分子间距不变,
这与弹性膜弹力不同。
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