液体表面现象
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液体的表面现象
液体的表面现象液体是物质的三种状态之一，与固体和气体相比，液体具有较高的密度和较低的流动性。
由于液体的分子之间有所谓的“凝聚力”，它们表面会出现一些有趣的现象。
这些现象被称为液体的表面现象，包括表面张力、毛细现象等。
本文将对液体表面现象进行介绍。
1.表面张力表面张力是指液体表面上分子间的相互作用力，使得液体表面能够收缩成一定形状的趋势。
液体的分子间互相吸引，因此在液体内部分子间距离较小。
但是，在液体的表面，分子只能受到内部和液体外部分子的吸引力，这使得表面分子排列紧密，比内部分子间距离要小。
表面分子向内部分子受到的吸引力较大，而向表面和外部分子受到的吸引力较小。
这种不平衡的效应导致了表面分子紧密地附着在一起，形成了所谓的“表面膜”。
因此，液体的表面不趋向平坦，而是减少表面积至最小化。
表面张力是由于表面膜的存在而产生的力，其大小与表面积和表面膜的形状有关。
表面张力的单位是“牛/米（N/m）”，是指当液体表面积为1平方米时，要克服液体表面张力的力量。
2.毛细现象毛细现象是液面在物体上升降不同高度的现象。
液体在将毛细管或细小通道中上升或下降的过程中就会出现毛细现象。
液体分子会被相互吸引而塞进一个毛细管或细小通道中，当管道非常细小时，液体分子就会塞进其中，并且分子外面的表面能量就要比里面的表面能量更多。
因此，在这种情况下就会发生毛细现象。
当管道越细时，液体上升的高度将增加，这是因为表面张力使液体分子的吸引力更加强大（因为液体表面的面积越小，分子之间的吸引力就越强）。
因此，液体分子在管道内被塞进的尺寸越小，液面就会上升得更高。
3.珠形（球形液滴）形状当液体表面张力作用于液滴时，液滴的形状呈现出球形。
这是因为液体表面分子对瓶子、盘子等容器的内部不附着，但对自身和外界的不附着。
由于表面张力，液体分子会倾向于把自己塑造成一个球体，从而减少液体表面积至最小化。
无论容器是什么形状，液滴都会尽可能地缩小表面积并形成一个球形，这就是珠形的形状。
液体的表面现象 唐
B
A
C
A
B
一、润湿与不润湿
第三节 毛细现象
1.附着层 : 液体与固体接触处，厚度约为液固分子作用 9 10 m 有效直径的一层。 2.附着力 : 容器固体分子 对附着层内分子的引力 。 3.内聚力 : 其他液体分子 f 附着力 对附着层内分子的引力 。 4.液体和固体接触时，
f内聚力
f 附着力 f内聚力 f 附着力 f内聚力
4 3 R 2 2 3 E S ( 4r 4R ) 4 3 r 3
3.7 10 J
3
2 PA P0 R
2 PB P0 r
A R
r
B h C
B点的压强 C点的压强
2 PC PB gh P0 gh PA r
2 1 1 h ( ) g r R
将 r, R, α的数据代入上式，得
h = 2cm
三、毛细现象的应用
1、土址中的悬着水 （1）土址中的三种水份状态：重力水、吸附水、悬着水 （2）形成悬着水的原因：PS （3）温度的影响：水由高温处向低温处移动
液面 表面层
液 体 内 部
表面层中的分子与内部分子相比具有较高的势 能。表面层中所有分子高出内部分子的那部分势 能的总和，称为液体的表面能。液体表面通常总 具有收缩的趋势，表现为液体表面张力。 表面张力的大小 f 与表面分界线的长度L成正比， 即： f=L 式中比例系数 称为表面张力系数。单位是 Nm-1。 用表面能来定义表面张力系数。
P
气泡的个数越多要求两侧的压强差越大,一段液体的压强 差不满足条件,整个液体的流动就停止了.本质原因:弯曲液 面产生了附加压强, 压强增加的值是为了克服附加压强.
栓塞现象
A
C
A
B
一、润湿与不润湿
第三节 毛细现象
1.附着层 : 液体与固体接触处，厚度约为液固分子作用 9 10 m 有效直径的一层。 2.附着力 : 容器固体分子 对附着层内分子的引力 。 3.内聚力 : 其他液体分子 f 附着力 对附着层内分子的引力 。 4.液体和固体接触时，
f内聚力
f 附着力 f内聚力 f 附着力 f内聚力
4 3 R 2 2 3 E S ( 4r 4R ) 4 3 r 3
3.7 10 J
3
2 PA P0 R
2 PB P0 r
A R
r
B h C
B点的压强 C点的压强
2 PC PB gh P0 gh PA r
2 1 1 h ( ) g r R
将 r, R, α的数据代入上式，得
h = 2cm
三、毛细现象的应用
1、土址中的悬着水 （1）土址中的三种水份状态：重力水、吸附水、悬着水 （2）形成悬着水的原因：PS （3）温度的影响：水由高温处向低温处移动
液面 表面层
液 体 内 部
表面层中的分子与内部分子相比具有较高的势 能。表面层中所有分子高出内部分子的那部分势 能的总和，称为液体的表面能。液体表面通常总 具有收缩的趋势，表现为液体表面张力。 表面张力的大小 f 与表面分界线的长度L成正比， 即： f=L 式中比例系数 称为表面张力系数。单位是 Nm-1。 用表面能来定义表面张力系数。
P
气泡的个数越多要求两侧的压强差越大,一段液体的压强 差不满足条件,整个液体的流动就停止了.本质原因:弯曲液 面产生了附加压强, 压强增加的值是为了克服附加压强.
栓塞现象
液体表面现象
会出现上升或下降，这种现象称为毛细现象。
润湿
不润湿
对于润湿管壁的液体
凹液面
P外 P0
P外
P内
2
R
P内 PA
P0
P0
R r cos
P0
PA
2
cos
r
PA
P0
2 cos
r
P0
· T R · r
A
P0
A
·C ·B
h
PB
PA
gh
(P0
2
cos
r
)
gh
PB PC P0
(P0
2
cos
r
)
gh
P0
h 2 cos rg
表面张力系数
3、液体的表面能 surface energy
表面层内的分子比液体内部的分子具有更多的势能。 表面积越大，势能越大。系统的能量有减小到最小的 趋势，所以只要有可能，表面积将减到最小。
• 如果要增加液体的表面积，就得作功把 液体内部分子移到表面层，从而增加了 液面的势能。
•表面能surface energy ：液体表面的势能
P内
P外
2
R
液体内、外
P 2 附加压强
R 拉普拉斯公式
P内
R T⊥ T
F内 P外
·
T⊥ P内
F外
P内
P外
2
R
P 2
R
3、说 明：
•凸液面： P内>P外，△P > 0
P内
P外
2
R
P 2
R
P外
P
P内
•凹液面： P内<P外
P内
P外
润湿
不润湿
对于润湿管壁的液体
凹液面
P外 P0
P外
P内
2
R
P内 PA
P0
P0
R r cos
P0
PA
2
cos
r
PA
P0
2 cos
r
P0
· T R · r
A
P0
A
·C ·B
h
PB
PA
gh
(P0
2
cos
r
)
gh
PB PC P0
(P0
2
cos
r
)
gh
P0
h 2 cos rg
表面张力系数
3、液体的表面能 surface energy
表面层内的分子比液体内部的分子具有更多的势能。 表面积越大，势能越大。系统的能量有减小到最小的 趋势，所以只要有可能，表面积将减到最小。
• 如果要增加液体的表面积，就得作功把 液体内部分子移到表面层，从而增加了 液面的势能。
•表面能surface energy ：液体表面的势能
P内
P外
2
R
液体内、外
P 2 附加压强
R 拉普拉斯公式
P内
R T⊥ T
F内 P外
·
T⊥ P内
F外
P内
P外
2
R
P 2
R
3、说 明：
•凸液面： P内>P外，△P > 0
P内
P外
2
R
P 2
R
P外
P
P内
•凹液面： P内<P外
P内
P外
液体的表面现象
• （二）速度不共线时 • 应将vo和vs 在连线上的分量带入。 • 靠近时取正,离开时取负。
o cos s cos
（三）医学应用
多普勒血流仪
多普勒流量计示意图
（四）红移现象
• 光是电磁波，当光源远离观察者时，接受 到的光波频率比其固有频率低，即向红端 偏移，这种现象“红移”。 • “紫移” • 哈勃发现：来自外星系的光谱呈现某种系 统性的红移，表明星系正在远离我们而去-----宇宙膨胀
二、超声的作用
1、机械作用 2、空化作用 3、热作用
4、可用于细胞和亚细胞水平的研究。 5、可以分裂各种多糖、单糖和核酸等。 6、化学作用和生物作用。
电子猫（电猫）：能象猫那样眨 眼和发威，并发出特殊的超声脉 冲，刺激老鼠、蟑螂的神经，使 其无法忍受而逃离。
三、超声波的产生与探测
1、发生器的组成：高频脉冲发 生器和压电式换能器。 2、压电效应：
5、彩色多普勒血流成像仪(彩超) 二维血流成像技术。 用一高速相控制扫描探头进行平面扫 查，实现解剖结构与血流状态两种显像。 用于诊断心脏病。
表面张力系数均匀 肺泡合并，表面积减少
3、表面张力对呼吸的影响 （1）表面张力是肺泡收缩、排出气体的
主要动力。 太大: 肺泡萎缩，类似气胸。 太小: 呼气困难，类似肺气肿。 均匀
（2）表面活性物
质对附加压强的
调节作用是肺泡 正常行使功能的
保证。
三、毛细现象(Capillarity)
1、概念：将毛细管插入液体中，液面在 毛细管中升高或降低的现象。
（五）运动目标监控
• NMD
二、冲击波(Shock wave)
• 波源运动速度大于波的传播速度。 • Sinα=1/M M称为马赫数 • 锥面是受扰动的介质和没有受扰动的分界 面。 • 声暴 • 声波不是冲击波 • 切科连夫辐射
液体的表面现象
2
材料科学
设计和制备具有特殊浸润性和表面活性的材料。
3
纳米技术
利用表面张力控制纳米颗粒的分散和组装。
浸润性与液体的相互作用
浸润性
浸润性是指液体与固体表面相 互作用程度的度量。
吸附
液体分子通过吸附在固体表面 上，降低表面的自由能。
角接触角
角接触角越小，液体与固体的 浸润性越好。
表面张力的应用和意义
自洁性
表面张力使得水可以在表面上形 成水滴，带走灰尘和污垢。
水黾行走
表面张力使得一些小昆虫可以在 水面上行走。
液体的表面现象
液体的表面现象是指液体与其外界接触界面上的特殊现象。
表面张力的原理
表面张力是由于液体分子间的相互作用力导致液体表面处呈现出的一种紧张 状态。
液滴形状的影响因素
1 表面张力
表面张力越大，液滴越接近球形。
3 挥发
挥发过程会使液滴变形。
2 重力
地球引力使得大的液滴下垂。
4 浸润性
液滴与固体表面的相互作用也会影响形状。
毛细作用
表面张力使得液体可以逆向上升 到细管内。
实验观察表面现象的方法
滴定法
通过滴定液体，并观察液滴 形状和滴落速度变化。
测量法
利用天平、毛细管等测量液 体的质量、压强和高度。
观察法
直接观察液体的行为比如液 滴形状和变形过程。
液体的表面现象在科学和工程和植物叶片自洁性的机制。
液体的表面现象
1
2
M1g 1Vg N1d1 N1d1
M 2g 2 Vg N 2d 2 N 2d 2
两者相除得：
2 2Vg N 2d 2 1 1Vg N1d1
由于
1 2
2 1
d1 d 2
N1 N2
所以
得
2
N1 1 N2
水和油边界的表面张力系数 18103 N / m
表面张力：液体表面具有象绷紧的弹性膜那 样的张力，这种张力叫表面张力．
如图２－１所示，在金属圆环上系一细棉线， 浸入肥皂水中取出如图2-1(a)所示，用尖针刺 破棉线内的肥皂泡，线环被拉成圆形如图2-1(b)
表面张力的微观本质： １．液体的表面层：在液 面下，厚度约为分子有效 距的一层液面，叫做液体 的表面层．
润湿和不润湿取决与相互接触的液体和固体两者的性质
q
附着层
q Ａ
Ａ 固 体 液 体
附着层
固 体
液 体
接触角q是锐角，液体 浸润固体。 如接触角 q＝0，称完全浸润。
接触角q是钝角，液体 不浸润固体。 接触角 q＝，称完全不浸润。
３
微观机制
（１）内聚力：液体分子之间的吸引力 （２）附着力：液体与固体分子之间的吸引力 （３）附着层：液体与固体接触处，有一层特 殊的液体薄层，其厚度为固体分子与液体分子 相互作用的有效距离，这一薄层称为附着层． 当内聚力＜附着力，Ａ分子所受的合力垂直于 附着层但指向固体，分子尽可能进入附着层， 使附着层扩展，成凹液面，表现为润湿． 当内聚力＞附着力，Ａ分子所受的合力垂直于附 着层但指向液体内部，分子尽可能挤入液体内部， 使附着层收缩，成凸液面，表现为不润湿
2 液体内部 凸状液面： p R 2 对凹状球形液面，同理有 p 。 R
2
M1g 1Vg N1d1 N1d1
M 2g 2 Vg N 2d 2 N 2d 2
两者相除得：
2 2Vg N 2d 2 1 1Vg N1d1
由于
1 2
2 1
d1 d 2
N1 N2
所以
得
2
N1 1 N2
水和油边界的表面张力系数 18103 N / m
表面张力：液体表面具有象绷紧的弹性膜那 样的张力，这种张力叫表面张力．
如图２－１所示，在金属圆环上系一细棉线， 浸入肥皂水中取出如图2-1(a)所示，用尖针刺 破棉线内的肥皂泡，线环被拉成圆形如图2-1(b)
表面张力的微观本质： １．液体的表面层：在液 面下，厚度约为分子有效 距的一层液面，叫做液体 的表面层．
润湿和不润湿取决与相互接触的液体和固体两者的性质
q
附着层
q Ａ
Ａ 固 体 液 体
附着层
固 体
液 体
接触角q是锐角，液体 浸润固体。 如接触角 q＝0，称完全浸润。
接触角q是钝角，液体 不浸润固体。 接触角 q＝，称完全不浸润。
３
微观机制
（１）内聚力：液体分子之间的吸引力 （２）附着力：液体与固体分子之间的吸引力 （３）附着层：液体与固体接触处，有一层特 殊的液体薄层，其厚度为固体分子与液体分子 相互作用的有效距离，这一薄层称为附着层． 当内聚力＜附着力，Ａ分子所受的合力垂直于 附着层但指向固体，分子尽可能进入附着层， 使附着层扩展，成凹液面，表现为润湿． 当内聚力＞附着力，Ａ分子所受的合力垂直于附 着层但指向液体内部，分子尽可能挤入液体内部， 使附着层收缩，成凸液面，表现为不润湿
2 液体内部 凸状液面： p R 2 对凹状球形液面，同理有 p 。 R
液体表面现象
B分子（液体表层分子）：
❖abcd范围内这部分液体分子对B的引力和斥力 的合力为零。
❖cde范围内这部分液体分子对B的引力比afb这部 分气体分子对B的引力大，所以合力F向下，所以有
收缩的趋势。
a
f b
r
B
C
c
d
eg
F
F
r
A
2.表面张力
由于液面处于紧张状态，在液面上存在 着起收缩作用的表面张力。这些表面张力的
无分子力
分子作用球半径：r= 10-8m
r
A是液内分子；B和C是液体表面层分子。
C
空气
B
表面层
液体 A
表面层分子B和C的受力分析： 处于表面层的分子受到一个指向液体内部的分子吸引 力作用；宏观上表面层表现为一个被拉紧的弹性薄膜。
f
a
b
r
B
C
c
d
eg
F
F
r
A
A分子（液体内部的分子） ：在有效作 用范围内所受的引力和斥力的合力为零。
P0
对小泡：
P2
4
R2
P0
P1
肥皂泡
P2
P0
因为 R1> R2，所以 P1 < P2 。
结果：大泡变大，小泡变小。
R越小,附加压强越大
4
PS R
表面活性物质对附加压强的 调节作用是肺泡正常行使功 能的保证。
四、毛细现象
❖ 毛细现象:润湿液体在毛细管中上升和 不润湿液体在毛细管中下降,这种现象叫做 毛细现象.
PA P0
2
R1
PB PA R2
R2
PC
液体的表面现象
3. 曲面附加压
df
边界上dl的表面张力：df dl
力的分解
大圆切线
竖直方向的合力：
f
df
sin
r dl R
2r 2
R
曲面附加压
f 2σ p附 πr 2 R
6
3.2 拉普拉斯压强公式
液体球面上的附加压强
p附
p内
p外
2
R
只分内外，不分材质
球形液膜内外压强差
p 4 适用于弹性曲面
练习
11
表面张力
4. 小结
液体表面像张紧的膜一样，有收缩的趋势
表面张力系数 σ df dl
曲面的附加压
弯曲液面内外的压强差
2
p附 p内 p外 R
12
液体的表面现象
表面张力 曲Leabharlann 的附加压润湿与不润湿 毛细现象
地球上的肥皂泡
1. 液体的表面现象
太空中的水球
2
2.1 液体界面
2.表面张力
液体与另一种物质（或虽是同一种物质,但其微观结构 不同）的交界处，物质结构的过渡层
物理性质不同于物质的内部，有很大的特殊性
2.2 界面力学性质
液体表面像张紧的膜一样，有收缩的趋势
固，液，气接触点为起点 固-液界面切线 气-液界面切线
完全润湿θ=0 完全不润湿θ=180°
4. 固液界面
毛巾为什么能擦汗？
毛细现象
毛细管：内径细小的管子
毛细现象：毛细管插入液体中，管内 水面会高于或低于管外液面
高度差
2σ cos θ h
ρgr
5. 毛细现象
补充习题：在一根两端开口的毛细管中 滴上一滴水后竖直放置，毛细管内直径 为1mm。若这滴水在管中分别形成长 为（1）2cm,（2）4cm,（3）2.98cm 的水柱。试问在上述三种情况下水柱的 上、下液面是凹还是凸？设毛细管能完 全润湿水，σ＝0.073N/m
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本次课内容
一、 液体的表面张力 二、 附加压强
surface tension additional pressure
三、 毛细现象与气体栓塞 capillarity & air
embolism
四、 表面活性物质 五、 小结
surfactant summary
一、液体的表面张力
1、表面层-----液表下厚度等于分子作用半径的一 层液体称为表面层surface layer .
气体栓塞 表面活性物质
2R sin 2
P外 r
P内
R T⊥ T
F外 P外 S P外 r2 P外 R2 sin 2 F内 P内 S P内 r2 P内 R2 sin 2
P外 r
稳定时（平衡）：
F外 T' F内
P外 R2 sin 2 2R sin 2 P内 R2 sin 2
2 (P内 P外)R
P大内
P0
4
R大
P小内
P0
4
R小
R2 R1
··C ·B ·A
三、毛细现象和气体栓塞
1、毛细现象 • 内聚力：液体分子之间的吸引力。 • 附着力：液体分子与固体分子之间的吸引力。
•润 湿：附着力大于内聚力，液体与固体的界面有 扩大的趋势，固体被润湿。
< 900 润湿
> 900 不润湿
• 毛 细 管：内经很小的细管。 • 毛细现象：将毛细管的一端插入液体中，管内的液面
表面张力系数
3、液体的表面能 surface energy
表面层内的分子比液体内部的分子具有更多的势能。 表面积越大，势能越大。系统的能量有减小到最小的 趋势，所以只要有可能，表面积将减到最小。
• 如果要增加液体的表面积，就得作功把 液体内部分子移到表面层，从而增加了 液面的势能。
•表面能surface energy ：液体表面的势能
(植物水分的输送、动物毛细血管)
2、气体的栓塞
液体在细管中流动时，如果液体中有较多气泡，液体 的流动则可能发生阻塞，这种现象称为气体的栓塞 。
P
P P P
P
P左
P右
P左 = P右
P左
P右
P左 < P右
P
P P
P
P左
P右
P左
P右
P n
四、表面活性物质surfactant
• 溶液的表面张力系数是由溶液本身的性质决定的。 当在一种溶液中加入另一种物质时，溶液的表面 张力系数将可能改变。
P内
P外
2
R
液体内、外
P 2 附加压强
R 拉普拉斯公式
P内
R T⊥ T
F内 P外
·
T⊥ P内
F外
P内
P外
2
R
P 2
R
3、说 明：
•凸液面： P内>P外，△P > 0
P内
P外
2
R
P 2
R
P外
P
P内
•凹液面： P内<P外
P内
P外
2
R
，△P < 0
P 2
R
P外
P内
2
R
R P外
P
P内
·· ··
4、球形气泡（肥皂泡） 解：
• 能够减小溶液表面张力系数的物质，称为表面活 性物质。
• 水的表面活性物质有：胆盐、肥皂、蛋黄素等。
肺泡的物理现象
• 肺泡内壁附着有一层特殊的肺液，类似于 一个个相互连通的微液泡。
肺泡的物理现象
• 大肺泡的表面活性物质的浓度小于小肺泡的 表面活性物质的浓度，所以大泡的表面张力 系数大于小泡的表面张力系数。这样，大肺 泡不会越来越大，小肺泡也不会越来越小。
表面层
分子作 用球
A·
10-9m
B·
A处分子受 力
表面层内的分子都有往受B液力分为子体0 内部迁移的趋势,从而 使液体表面面积趋于缩小.
它们为什么可以 漂在水面上
2、表面张力：液体表面内存在的使其表面积 有收缩成最小的趋势的张力。
①、方向：与表面相切，与面内分界线垂直。
L
F ·F
②、大小：
F L
二、曲面下的附加压强
1、定义：
液体表面为曲面时，表面张力有拉平液面的
趋势，致使液面内的压强与液面外的压强不同而
产生的压强差。
P外
P外
2、拉普拉斯公式（球形液面下的附加压强） 单位长度的表面张力：
T T sin sin r R sin L 2r 2R sin T' T L sin 2R sin
会出现上升或下降，这种现象称为毛细现象。
润湿
不润湿
对于P外
P内
2
R
P内 PA
P0
P0
R r cos
P0
PA
2
cos
r
PA
P0
2 cos
r
P0
· T R · r
A
P0
A
·C ·B
h
PB
PA
gh
(P0
2
cos
r
)
gh
PB PC P0
(P0
2
cos
r
)
gh
P0
h 2 cos rg
液体的表面现象
The surface phenomena of liquid
数理教研室
植物花瓣和叶面上的露珠
• 液体除了具有流体的一般特性外，它还有 一个特殊的重要性质，即表面特性(surface characterization )。
• 液体与气体和固体相接触时都有一界面， 处于界面的分子同时受到同种分子以及气 体或固体分子的作用力，因而产生一系列 的特殊现象，称之为液体的表面现象 (surface phenomena of liquid)。
正常呼气后，肺泡通常稳定在它最大尺寸的四分之一， 即肺内还有余气，这使接下来的吸气变得容易一些。
新生儿的肺泡因受附加压强而完全闭合，所以要靠大 声啼哭的强烈动作进行第一次呼吸以克服肺泡的表面 张力而获得新生。
五、小结summary
液体表面层
表面张力 表面能 附加压强
应用
表面张力系数 接触角
毛细现象