第3章 液体的表面现象.ppt

* 第3章 液体的表面现象 §3.1 液体的表面张力 一、液体的微观结构 液体分子间作用力显著。 宏观上表现为不易压缩性。 液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内移动。 液体分子在每一个平衡位置上振动的时间。 分子的定居时间： 不同液体，随着温度、压强的不同，定居时间不同。 在液体与气体的分界面处厚度等于分子有效作用半径的那层液体称为液体的表面。 当外力作用时间大于定居时间 表现为液体的流动性 当外力作用时间小于定居时间 表现为固体所特有的弹性形变、脆性断裂等力学现象 二、液体的表面张力现象及微观本质 液体表面像张紧的弹性膜一样，具有收缩的趋势。 （1）毛笔尖入水散开，出水毛聚合； （2）蚊子能够站在水面上； （3）钢针能够放在水面上； （4）荷花上的水珠呈球形； （5）肥皂膜的收缩； 液体表面具有收缩趋势的力，这种存在于液体表面上的张力称为表面张力。 说明：①力的作用是均匀分布的，力的方向与液面相切；②液面收缩至最小。 表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。 三、表面张力系数 从力的角度定义 A B (1) (2) f f’ A B (2) f (1) f ’ 从做功的角度定义 f f F F 做功为： △S 指的是这一过程中液体表面积的增量， 所以： 表示增加单位表面积时，外力所需做的功 称为表面张力系数，表示单位长度直线两旁液面的相互作用拉力，在国际单位制中的单位为 N · m -1 。 1、表面张力系数的定义 从表面能的角度定义 由能量守恒定律，外力 F 所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为液膜的表面能 △E 储存起来，即： 所以： 表示增大液体单位表面积所增加的表面能 2、表面张力系数的基本性质 （1）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小。 （2）同一种液体的表面张力系数与温度有关，温度越高，表面张力系数越小。 （3）液体表面张力系数与相邻物质的性质有关。 （4）表面张力系数与液体中的杂质有关。 3、表面张力系数的测定 拉脱法 拉脱法测量液体表面张力系数的实验仪器——焦利秤。 水膜的对金属框的作用力为 当拉起的水膜处于即将破裂的状态时，两个表面近似在竖直平面内，此时用焦利秤对金属框的作用力： 则液体表面的张力系数： 将质量为 m 的待测液体吸入移液管内，然后让其缓慢地流出。 当液滴即将滴下时，表面层将在颈部发生断裂。此时颈部表面层的表面张力均为竖直向上，且合力正好支持重力。 液滴测定法 用附有目镜测微尺的望远镜测得断裂痕的直径为 d ，移液管中液体全部滴尽时的总滴数为 n ，则每一滴液体的重量为： 所受的表面张力为： 则有 即 则大水滴的面积为 例 解 设小水滴数目为 n ，n 个小水滴的总面积为 在融合过程中，小水滴的总体积与大水滴的体积相同，则 表面张力系数 求 所释放出的能量 溶合过程中释放的能量 半径为r =2×10-3mm的许多小水滴融合成一半径为R=2mm的大水滴时。(假设水滴呈球状，水的表面张力系数 =73×10-3N·m-1在此过程中保持不变) 与水接触的油的表面张力系数 a=1.8×10-2N·m-1 ，为了使 1.0×10-3 kg 的油滴在水内散布成半径 r = 10-6m 小油滴， （散布过程可以认为是等温的，油的密度为ρ=900kg·m-3）。 设一个半径为R 的大油滴等温地散布成N 个小油滴，因而所需作的功为 例 解 油的质量 m 不变，则 求 需要作多少功 可得： 表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。 从能量的角度来解释表面张力存在的原因。 分别以液体表面层分子A 和内部分子B为球心、分子有效作用距离为半径作球（分子作用球）。 对于液体内部分子 B ，分子作用球内液体分子的分布是对称的； A B B 从统计上讲，其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等。 对于液体表面层的分子 A，分子作用球中有一部分在液体表面以外，分子作用球内下部液体分子密度大于上部； 当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能。所以液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大。 由势能最小原则，在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态。 从力的角度看，就是有表面张力存在。 统计平均效果所受合外力指向液体