液体表面现象分析
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
平衡状态，因此两边的压强相等：
PP左P' P右
P 左 P 右 P P '
(P左P右)
式中 (P左P右)是两弯曲液面附加压强的差，
指向左方，愉好与两端的压强差（P－P’）平衡， 气泡不会移动，此时气泡不但起到传递压强的作 用，而且也起到阻止液体流动的作用。只有当两 端的压强差超过某一临界值δ时，气泡才会移动。 当管中有n个气泡时，则只有当
积最小。箭头方向表示 线圈外液膜施加的拉力 的方向，由于线圈张成 圆形，表明拉力是均匀 作用在圆周上的。液膜
整理课件
未被刺破时，线圈也受到同样的拉力作 用，只是由于线圈两侧都有液膜，它们 对线圈各部分拉力的合力为零。这样沿 着液体表面而使液面具有收缩趋势的张力，叫做 表面张力。表面张力只存在于极薄的表面层内， 厚度的数量级为10－10m。
rR
h 2 (1 1) g=9.8m/s2 ρ=103kg/m3 g r R
代入数据，得 h=5.510－2m。
整理课件
例2、如图，U形管中装有水，两臂的内
半径分别为rA，rB（ rA＜rB）。已知水的 密度为ρ，表面张力系数为α，接触角φ为
零。求两臂水面的高度差。
P0
B•
h•A •C
现在讨论液体润湿管壁的情形，即毛细
管内液面上升的规律。如图，当毛细管
刚插入液体中时，由于液体能润湿管壁，
因此管内液面变为凹面，使液面下方B点的压强比
φ
R r
液面上方的大气压强P0小，而在 管外与B点同高的 C 点的压强等
P0
φ •A
h 于大气压P0。 B、C 两点压强不
•B
•
C
等，液体不能保持平衡，管内的
论附加压强的大小。
液体表面现象
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
02-液体的表面现象解析
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
其中Ps是由表面张力引起的附加压强，这表明 弯曲液面都对液体施加附加压强，其附加压强 总是指向弯曲液面的曲率中心．
１拉普拉斯公式
如图所示：一半径为Ｒ，表面张 力系数为 的球形液滴，由于是 凸液面，所以附加压强
ps pi p0
Pi和p0分别是液滴表面层内外的压强，ps为附加压强 该液面在外力作用下表面积增加ds，外力做功为
不同的液体对不同固体润湿与不润湿的程度不 同，为表明液体对固体的润湿程度，引入接触 角这个物理量． 定义：在液体与固体接触处，作液体表面和固 体表面的切线，这两条线间通过液体内部的夹 角，称为接触角
a c b d
应用：农业上制备农药时，要注意使农药润湿农作物
二
毛细现象
１毛细现象；将几根内径不同的细玻璃管插 入水中，可以看到细管中的水面会上升；相 反，如果将细玻璃管插入水银中，管内水银 面会降低，这种液体在细管中上升或下降的 现象，称为毛细现象
三
表面张力系数
１．表面张力系数两种 不同的定义： （１） 定义一；均匀液面的张力处处相等， 直线ＡＢ上任一处力的分布均相同．作用在分 界线两侧的表面张力，其大小与分界线长度Ｌ 成正比，即：
f L
或
f L
式中
＿表面张力系数，它表示作用于液体表 面单位长度线段上的表面张力．(N/m)
水的表面张力原理及现象
水的表面张力原理及现象水的表面张力（SurfaceTension）是一种由于分子间力而产生的力，它可以使一滴水像一枚微小、无形的弹簧一样，从而使液体表面变得温和而有弹性，可以抵抗外界作用力的侵蚀，从而有利于水的持续性存在。
水的表面张力原理在液体的表面，分子之间的相互作用力会使表面单元的表面受到拉力，并形成一层“拉伸”的层，称为表面张力。
这种张力能够抵抗外界的作用力，使得液体的表面具有一定的稳定性。
原理分析根据粘性模型，水分子之间的相互作用力会使表面单元的表面受到拉力，而这种拉力是由水分子之间的静电力所产生的。
由于分子之间的静电力，这种拉力会加强水分子之间的相互结合，使水分子形成一层“拉伸”的层，从而形成水的表面张力。
水的表面张力现象水的表面张力的存在，对几乎所有的液体都有明显的影响。
一、液体表面折射现象由于水的表面张力，液体表面会发生折射现象，即把穿过液体表面的光线反射出去。
例如，把一杯水放在阳光下，可以看到一圈虹彩，这便是折射现象的具体表现。
二、液体表面悬浮现象由于水的表面张力，密密麻麻排列的水分子能够把一个小物体悬浮在液体表面上。
例如，用一根长细的铁丝把一片叶子放在油面上，叶子即可悬浮在油面上，这也是由于水的表面张力所产生的悬浮现象。
三、液体表面升力现象由于水的表面张力，研究者发现，当一些体积较小的气泡浮到液面上时，液面会产生一股强大的抗拒力，使气泡往上漂浮，这就是“液体表面升力现象”，也称“表面能”。
总之，水的表面张力是一种由于分子间力而产生的力，它可以使液体表面具有一定的稳定性，使得液体表面可以抵抗外界的侵蚀，从而有利于水的持续性存在。
而这种张力产生的诸多现象，让我们以另一种方式体验到水的神奇之处。
常见液体表面张力现象
常见液体表面张力现象一、引言液体的表面张力是指液体表面上的分子之间的相互作用力。
它是液体分子间吸引力的结果，具有一定的弹性和抗拉伸性，能使液体表面呈现出一种紧致的状态。
在日常生活中，我们可以观察到许多常见的液体表面张力现象。
本文将围绕常见液体表面张力现象展开讨论。
二、水珠的形成与滴落当水滴在平面上形成时，由于水分子之间的吸引力，水滴呈圆球状。
这是因为水分子在表面上的吸引力比在内部的吸引力要大，所以水分子会尽量减少表面积，形成一个球形。
当水滴足够大，重力超过了表面张力的作用，水滴就会滴落下来。
三、水面上的浮力在水面上放置一根细绳，我们会发现细绳漂浮在水面上。
这是因为水面上的表面张力使得水分子在水面上形成一个薄膜，细绳所受到的上表面和下表面的表面张力相互抵消，从而细绳悬浮在水面上。
四、水下的气泡当我们在水中吹气时，会产生许多气泡。
这是因为水分子的表面张力使得水分子在水面上形成一个薄膜，气泡被包裹在水薄膜中。
同时，气泡的形成也与气体的密度有关，气体密度较小，容易在水中形成气泡。
五、鱼儿吸食鱼儿在水中吸食时，会张开嘴巴，形成一个小球状的空间。
这是因为鱼儿张开嘴巴时，水分子的表面张力使得水分子在嘴巴前缘形成一个凹面，将水中的食物吸入嘴中。
六、水滴在草叶上的滚动当水滴滴在草叶上时，我们可以观察到水滴滚动的现象。
这是因为草叶表面的毛细结构使得水滴无法均匀分布在表面上，从而产生了不平衡的表面张力，推动水滴滚动。
七、水面上的浮尘在水面上放置一些浮尘，我们会发现浮尘集中在水面上形成一个薄膜。
这是因为浮尘与水分子之间的吸引力比浮尘之间的相互作用力要大，浮尘会受到水分子的吸引而集中在水面上。
八、水面上的跳水在水面上轻轻投掷一颗小石子，我们会看到石子在水面上跳跃几次后沉入水中。
这是因为石子在水面上受到的浮力比重力要大，表面张力将石子向上推，使其跳跃几次后才沉入水中。
九、水滴在叶片上的扩展当水滴滴在叶片上时，我们会观察到水滴会扩展开来，形成一个薄膜。
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。
液体中的表面张力现象研究
液体中的表面张力现象研究表面张力是液体中一种特殊的现象，它是指液体表面上的分子间存在着引起表面膜形成的力，这种力使得表面膜能够尽可能减小表面的面积。
表面张力现象不仅在日常生活中广泛存在，而且在工业与科学研究中也有着重要的应用。
本文将探讨液体中的表面张力现象以及与之相关的研究。
首先，了解表面张力现象的基本原理是深入研究液体的表面性质的关键。
液体内部的分子间力较大，可以维持液体的形状和流动性。
然而，液体表面分子仅与周围分子有相互作用，所以受到了来自液体内部的分子的拉力，使得表面处的分子聚集在一起形成表面膜。
这种聚集形成了表面张力，使得表面膜具有较强的弹性和稳定性。
液体中的表面张力现象对于人类日常生活具有重要意义。
例如，当我们使用毛巾擦拭水滴时，毛巾上的纤维与液体表面的水分子发生相互作用，由于液体表面张力的存在，水滴可以被毛巾迅速吸收。
此外，喷雾瓶能够通过利用表面张力现象将液体转化为小小的水滴，形成雾状喷射。
这一现象也广泛应用于药物雾化器、香水喷雾器等器械中。
除了日常生活中的应用，液体中的表面张力现象还在工业与科学领域中发挥着重要作用。
例如，制造印刷品时，墨水经过一系列的处理，被喷洒到特定的表面上。
墨水液滴在空气中快速扩散并附着在纸张上，这是由于液体表面张力的作用。
此外，表面张力现象在油漆喷涂、涂层技术和耐水性材料的研发中也发挥着重要的作用。
研究液体中的表面张力现象不仅有助于深入理解其基本原理，还可以为液体的应用提供更多的可能性。
为此，科学家们开展了广泛的实验和研究，以便更好地理解和利用表面张力现象。
一种常见的研究方法是通过测量液体中的表面张力来了解其性质。
常用的实验方法包括动态方法和静态方法。
动态方法通常是通过观察液体表面膜的形态变化来测量表面张力。
例如，可以通过用金属环悬挂液滴，并观察液滴与环结合的变化来测量表面张力。
这种方法可以直观地显示出液体表面膜的相关特性。
静态方法则是通过测量液体表面处负责维持表面膜稳定的力的大小来评估表面张力。
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3. 表面张力产生的原因
①从分子运动论观点说明
当分子A 的分子作用球完全处于液体内部时，由于分子作用球范围内各分子对它 的引力恰好互相抵消，所以合力为零。 分子B 的分子作用球一半在液面之上。由于气体密度比液体密度小得多，因此 可忽略液面上气体分子对分子B的引力，则它只受到液体内部周围分子的引力， 其合力F 指向液体内部。 由于分子C 的分子作用球在液面以上的部分较分子B小，所以它所受到的指 向液体内部的合力F 也小。 液体表面层中每个分子都受到合力F的作用，而且越靠近液体表面，其 作用力越大。所以都有从表面层尽量挤入液体内部的趋势，使表面层具 有收缩的趋势。
F 2L 或 F
2L
只要测量出F及L，即可求得α的数值。 11
设想BC边在力F的作用下沿F方向移 动了一段距离∆x，则在此过程中，外 A 力F所作的功为：
W F x 2L x S
∆x
B
B'
f
F
L
D
C
C'
式中∆S=2L·∆x，是BC边移动过程中所增加的液面面积。
f l 或 f / l
式中，比例系数 叫做液体的表面张力系数。
表面张力系数定义： 它等于单位长度分界线上表面张力的大小。 单位：N·m-1,
其量值大小与液体性质、温度及纯度有关。同一种 液体，
温度越高， 值越小。当纯净液体内含有杂 质时， 值也会发
生变化。P46表3-1给出一些常见液体的表面张力系数。 表面张力可用各种实验方法测定。
S
12
例：油和水形成的界面的表面张力系数为 1.8102 N / m ，现将 1g的油在水内分裂成半径为 1.0106 m 的小油滴，问需做多少 功？（设油的密度为900kg/m3）
已知： 1.8102 N / m, 900 kg / m3, r 1.0106 m, m 1.0103 kg
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。
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。
2
第三章 液体的表面现象 （superficies of liquid）
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。
8
4.表面张力的定量描述 液体表面处处存在着表面张力，如图，设想在液面上作一长为 l的线段，将液面分成两部分。
Ⅰ
f1
M
N
f2
Ⅱ
则表面张力的存在表现为：线段两边的液面都以一定的拉力f 作 用于对方，这个力的方向与液体表面相切，且垂直于分界线段l。 表面张力的大小f与分界线段的长度l成正比，即：
单液面 : f l 或 f / l
双液面 : f 2l 或 f / 2l
9
5. 液体表面张力系数
对象：静止液体的表面层
学科：流体力学 ⑴静力学：表面张力…
⑵动力学：流体流动时的力学规律。
应用：医学材料的表面活性和吸附
呼吸系统的肺泡功能、血液流动和人体 养分输送时的气体栓塞、…
3
第三章 液体表面现象
一、目的要求
掌握液体表面张力的基本规律，了解表面 张力的医学应用。 二、教学内容:(3学时)
液体的表面张力与表面能,弯曲液面的附 加压强,表面吸附和表面活性物质,肺泡的表面 张力,毛细现象,气体栓塞。
4
§3-1 液体的表面张力
一、液体的表面层(surface layer)
组成物体的分子之间存在着相互作用力，这些力既有斥力也 有引力。分子间的作用力通称为分子力(molecular force)。
液体分子间引力作用范围远大于斥力范围(斥力只有在分子 非常靠近时才起作用)。
如图，令r(10-9m)表示分子引力作用范围，以选定的某分子为 中心，r为半径，作一球体，称为分子作用球.
10
从功能关系来理解表面张力系数的物理意义。
表面张力系数的大小可用下面的方法进行测量。如图，取一铁 丝框ABCD，且BC边可自由滑动，使在框上形成液膜。
A
B
B'
f
F
L于液膜有收缩表面积的趋势，所以长为L的BC边受到一个向 左的、大小为2αL（因为薄膜有两个表面，所以乘2）的表面张 力，所以将向左滑动。欲使BC边保持不动，必须加一个外力F 来使它平衡，其方向与表面张力相反、大小相等，则为：
2014级本科课程
医学物理学
( Physics for Medical Sciences )
1
概述
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。
按照能量守恒及转换定律，在恒温情况下，外力克服分子间引 力做功，表面能增加，外力F所作的功应等于液体表面能的增
量。若用△Ep 表示表面能增量，则：
Ep W S
表面张力系数α的另一定义：表面张力系数α在数值上等于增加
液体单位表面积时的表面能的增量，即： E p
α也可用J·m-2作单位。
5
二、液体的表面张力(surface tension)
1.现象(P45)： (1)液面有收缩到最小的趋势； (2)液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。
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.表面张力
(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 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。
宏观上：液体表面层存在着表面张力。 7
②从能量观点来分析
液体表面层中每个分子都受到一个垂 r
C
B
直于液面并指向液体内部的合力（引 力） F 的作用。
r
A
F
F
若想把一个分子从液体内部移到表面层，就必须克服合力(引 力)F 而作功，从而增加了这个分子的势能，所以，处于表面层 的分子较液体内部的分子有较大的势能。表面层为高势能区。 表面层中各个分子势能的总和，称为该液体的表面能(surface energy),用Ep表示。