液体液体的微观结构.pdf

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6-6液体的性质
.

分子力和热运动是决定物质的热学性质的内因,分子力和热运动是对矛盾的
因素,与固体和气体不同,分子力仍居矛盾的主要方面,但其作用的强度大为降低,
数量不变,因而热运动的效果开始显著增强,构成了液体内部分子运动的新特点。
宏观性质上既保留了固体的某些性质,也开始表现出气体的某些性质。

(1)近程有序是其主要特点,但远程无序
所谓进程有序,就是在近距离区域内,分子排列是有规律的.
(2)液体由许多近程有序而彼此方位完全无序的小区域组成
所以,液体的这种结构与非晶体的结构完全相同,各向同性,而非晶体可认
为是冷冻了的液体。

(1)主要是在平衡位置附近作微小振动,但并不长久停留在某一位置,可以在
整个液体中运动。
(2)短时间的搬迁与较长时间的定居交替进行。
(3)定居时间既体现了分子间的相互作用,又体现了分子的热运动
分子排列越密,分子紧的距离越小,分子间的相互作用越强,分子久越不容
易运动,定居时间就越大,而另一方面,温度于高,分子热运动的能量增加,
定居时间就越小。
(4)外力的作用时间于定居时间的相对大小不同,会有不同的现象。
①>,表现出流动性;
tout
②<,表现出某些固体属性,如弹性形变,脆性断裂等;
tout
6-7、液体的表面性质
教学目的和要求:阐明和理解表面张力和表面张力系数的概念,理解表面自由能
及计算公式的意义,掌握并能应用球形液面内外压强差的公式,理解润湿和不润
湿的概念和形成条件,掌握并能应用毛细现象的公式。
液体的表面就是液体的边界,就是液体与其他物态的分界面。由于液面附近
的分子与液体内部的分子所处的环境有所不同,出现了与液体内部不相同的性
1
质。
一、表面性质的微观解释
从微观角度看,液体的表面并不是一个几何平面,而是厚度为分子有效距离
的表面薄层,这个认识对于理解表面张力至关重要。
:
(1)液体内部,引力和斥力都是各向同性的。
不难理解,不论是液体那边还是局部表层,分子见都存在着相互作用,相互
作用分为引力和斥力两类,由于排斥力是短程力,不论是在液体那边还是液体表
面,都能实现各向同性,对于斥力而言并无特殊表现。
(2)表面层内,要受到
一个指向内部的引应力作用
如右图,表面层内的情况与液
体那边的情况有些不同。作为斥力
液面
是短程力,所以在O点周围很小范
S
围内都能实现各向同性。但引力则O
不相同,引力是长程力,以有效作表面层
用距离S作一个圆,上部分比下部
分少了一些吸引分子O的分子,这
一来,表面层内因应力地不到平衡,
作细致的受力分析不难看到,其合力比如是垂液面指向液体内部的引力,直这就
是表面张力。
表面层中,由于引力的不对称而早造成的指向液体内部的引力称为表面张
力。

表面层中的分子由于缺少了一些具有长程影响的分子,由此因起的负的能量
(引力势能)少了一些,表面层的整个能量就提高了。表面越大,这种势能升高
就越多,而处于常态的液体系统总有使势能减少的趋势,表面就有收缩的趋势,
从而说明表面张力的存在,称为表面张力。以上分析明显看出,表面张力与液体
表面积有直接关系。
二,表面张力的宏观描述
上面关于表面张力的分析是微观的报纸的,但不便对表面张力进行直接描
述。所以,需要从宏观的现象出发,采用便于计算的形式来具体描述。

(1)水银面上的钢针不下沉;
2
(2)焊锡熔化后成球形;
(3)肥皂泡,荷叶上的水珠等。
:
(1)从力的角度:lF
单位长度两旁液面的相互拉力,
称为表面张力系数,如右图
f=l
(2)从外力作功的角度因为液面存在表面张力而具有收缩的趋势,要增大
液面就要外力作功。如上图,有两个表面,
F=2l,A=Fx=2lx
S=2lx恰为面积的增加量
A
则可见,是增加单位表面积所需要的外界功。
S
(3)还可以从能量的角度来理解表面张力系数
E==S,=E/S,
这表明,表面张力系数等于增加单位表面积时所增加的表面自由能。
显然,表面积的增加借助于外力作功,外力作的功又转化为液体的表面自由能。
,其表面呈球形
这从能量的角度最容易理解。在平衡力作用下,液体应处于能量最低状态,
而液体的能量与液体的表面记成正比,所以,只有取表面积最小的球形以实现最
低能态。
的因素
(1)首先与液体本身的成分有关
密度小,易挥发的液体,表面张力系数小。不同的液体其分子势能不等,结合
的紧密程度不同,表面张力系数不同。
(2)表面张力系数与温度有关
实验表明,与温度成反比
(3)与邻近物质的化学性质有关;
(4)与杂质有关
使表面张力系数降低的物质,成为表面活性物质。
三、球形液面内外的压强差
,有时液面会因表面张力而使液面弯曲。例如,我们
大家熟悉的肥皂泡,水里的气泡和小油滴,荷页上的水珠等都是这样。再例如常
见的毛细现象液面也是弯曲的。不论液面怎样弯曲,无非是两种情况:
3
(1)凸面:说明液体内部的压强大于外界的压强;如图A
(2)凹面:说明液体内部的压强小于外界的压强;如图B
AB
,连很规则的圆锥曲面如抛物、椭圆和双曲类
曲面也很复杂,讨论起来十分不便。这里,我们重点学习一种简单而常见的情况
——球型液面。
其实,更确切地说,是球型液滴
df2rrr
(如油滴)和球壳液面(如肥皂泡,r
其厚度可略)。df
(1)先讨论球形液滴的一部分
df1R
先设在液面处取下一球形液帽
状的小液块,其受力情况为:O
第一部分:表面张力;
第二部分:附加压强因起的里r2p,由上下压强差引起;
第三部分:重力。因液块很小,可忽略不计。
稳定后,液滴处于平衡状态。沿页帽边沿dl一小段,有
df=dl,但只有垂直分量才会产生净余效果。
,这是一个方向向下的力,
df1=dlsin
∫,且,
f1=sindl=2rsinsin=r/R
则r2p=2r2/R,附加压强p=2/R
若为凹形液面,p>0,反之,p<0,
(2)球形液膜(如肥皂泡)的内外压强差ABCC
直接应用上述结果:C
2
pp
BAR
2
pp
BCR
4
两式相减得:pp
ACR
注意:这里忽略了液膜的厚度,视为为内外半径相等。
(3)因为球形液膜是凸的,>,符合我们的规定;
pcpA
(4)①p1/R,Rp;
球形液膜越大,其内外压强差于小;
4
②也可这样理解:
p既内外压强差减小,会使球形膜的半径增大。
气象探测的气球在高空中拨列就是这种情况。在高空,气压降低,气球膨胀
最终破裂。
再例如,用一根麦管吹肥皂泡,停止吹气,将气体由麦管导出,这时↓→
pe
p↑→R↓,肥皂泡收缩。
五、任意弯曲液面内外的压强差
11
附加压强p(),称为Laplace方程。
RR
12

对于柱型液面,R=R,R→∞,附加压强p
2R
六,液面与固体接触处的表面现象

润湿:液面附在固体表面上不能滚动,称为润湿。
不润湿:液面不附在固体表面上可以滚动,称为不润湿。
润湿和不润湿是相对的。例如,同种液体在不同固体表面上的结构不同。水银在
玻璃板上是不润湿的可以滚动,在金属表面上去是润湿的。在例如,水在玻璃板
上是润湿的,但在石蜡表面去是不润湿的。

(1)从例的角度上看,
是由于固液分子间的相互吸引作用(称为附着力)和液液分子间的相互吸引
作用(称为内聚力)的相对大小引起的。
附着力>内聚力,润湿;
相对的
附着力<内聚力,不润湿;
(2)从能量的角度看,
在附着层内,如果内聚力大于附着力,既合力指向液体内部,那么,要把一
个液体从液体内部移到附着层内,首先要反抗合力作功而使附着层内的势能增
大,但势能总有减少的趋势,从而附着层就有减少的趋势,如右图所示,液体就
不能润湿固体,反之亦然。

(1)接触角:在液体和固体接触的交界处,作液体表面的切线与固体表面的
切线,这两条切线在液体内部所成的夹角,称为接触角,记为。
(2)角的大小代表了不同的情况。
5
润湿:0/2,cos>0,h>0,高出液面;
2
=0,h
maxgr
②不润湿:/2,cos<0,h<0,低于液面;
2
=,h
MINgr
③该公式能说明为什么毛细管越细,液面高度差越大
h∝1/r,r↑→h↓,反之亦然。
④该公式能说明为相同的液体,不同的毛细管材料,液面高度差不同
这很明显,是不同的物性参数,常用这个实验来测量表面张力系数。

(1)土壤中植物根部吸收水分,毛细管起作用;
(2)动物毛细血管的末端有大量的毛细管,对于提供氧气和排除二氧化碳起着
直接作用;
(3)毛细管过小可以阻碍液体流动,但有利有弊。
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