文档介绍：第3章液体的表面现象
§ 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(层)。
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。
三、表面张力系数
(1)从力的角度定义
A
B
(1)
(2)
f
f’
A
B
(2)
f
(1)
f ’
(2)从做功的角度定义
f
f
F
F 做功为:
△S 为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。 N · m -1
1、表面张力系数的定义
(3)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:
则表面张力系数:
拉脱法
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
该过程是吸能还是放能? 试求所吸收或者释放出的能量。
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。(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=×10-2N·m-1 ,为了使 ×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:
表面张力源于表面层分子之间相互作用力的不对称性。
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 :
(1)分子作用球内液体分子对称分布;
A
B
B
(2)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。