大学物理 马凤翔 液体的表面性质.ppt

液体的表面性质
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。液体分子间距较气体小了一个数量级,为10-10 m,分子排列较紧密,分子间作用力较大,其热运动与固体相似,主要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。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。
第一节液体的性质
由于液体分子间距小,分子间相互作用力较大,当液体与气体、固体接触时,交界处由于分子力作用而产生一系列特殊现象,即:液体表面现象。
一、表面现象
液体的反常现象:
钢针浮于水面
水管的栓塞
叶面上的露珠,熔化的焊球
细玻璃管取血,树木从土壤中吸取水分
细小液滴更容易蒸发
皆源于液体表面的力学性质—表面张力
二、表面张力
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说明:液面上存在沿表面的收缩力作用,这种力只存在于液体表面。
(2)液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。
(1)液面有收缩到最小的趋势;

(1)表面层:在液体与气体交界面,厚度等于分子有效作用半径R (10-10m)的一层液体。
(2)表面张力:液体的表面层中有一种使液面尽可能收缩成最小的宏观张力。
①从分子运动论观点说明
分子作用球: 在液体内部任取一分子A ,以A为球心,以分子有效作用半径R 为半径作一球,称为分子作用球。球外分子对A 无作用力,球内分子对A 的作用力对称分布,合力为零。
(3)表面张力产生的原因
从表面层中任取一分子B,其受合力与液面垂直,指向液内,这使得表面层内的分子与液体内部的分子不同,都受一个指向液体内部的合力。
在这些力作用下,液体表面的分子有被拉进液体内部的趋势。
在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势。
任何系统的势能越小越稳定,所以表面层内的分子有尽量挤入液体内部的趋势,即液面有收缩的趋势,这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力。表面张力是宏观力,与液面相切; f ⊥是微观力,与液面垂直。
②从能量观点来分析
把分子从液体内部移到表面层,需克服 f ⊥作功;外力作功,分子势能增加,即表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大,表面层为高势能区;各个分子势能增量的总和称为表面能,用E 表示。
我们想象在液面上画一条直线段,线段两侧液面均有收缩的趋势,即有表面张力作用,该力与液面相切,与线段垂直,指向各自的一方,分别用f 和f′表示,这恰为一对作用力与反作用力, f = - f′。
(4)表面张力系数
α为表面张力系数,数值上等于单位长度直线段两侧液面的表面张力,单位:N / m 。
由于线段上各点均有表面张力作用,线段越长,则合力越大。设线段长为l ,则:f =αl 。
与液体的性质有关:不同液体,α值不同;密度小、易挥发的液体α值较小。如酒精的α值很小,金属熔化后的α值很大。
与相邻物质性质有关:同一液体与不同物质交界,α值不同。
与温度有关:温度升高,α值减小,两者近似呈线性关系。( P69 表4-1 )
与液体内所含杂质有关:在液体内加入杂质,液体的表面张力系数将显著改变,有的使其α值增加;有的使其α值减小。使α值减小的物质称为表面活性物质。
(5)影响表面张力系数的因素
如图所示,铁丝框上挂有液膜,表面张力系数为α,将AB边无摩擦、匀速、等温地右移△x,在AB边上加的力为:F =2αl ,则在这个过程中外力F 所做的功为:
其中△S = 2l△x ,是AB 向右移动过程中液面面积的增量。外力克服分子间引力做功,表面能增加,若用△E 表示表面能增量,则:
表面张力系数在数值上等于增加单位液体表面积时,外力所需做的功,或增加单位液体表面积时,表面能的增加。
(6)表面张力系数与表面能增量