液體表面張力與液體表面現(xiàn)象

1、液體的表面張力與液體的表面現(xiàn)象在日常生活中，只要你稍加留意，就會觀察到許多與液體表而張力有關的現(xiàn)象。如草葉 上晶瑩剔透的露珠，荷葉上滾動著的小水滴，玻璃板上的小水銀滴等，它們?yōu)槭裁炊际乔蛐?或近似球形？這就是因為液體表而張力的作用結果。當用細管吹岀一個個五彩繽紛的肥皂泡 時，在泡膜的表而上就布滿了液體表而張力。用數(shù)學可以證明，在體積相同的各種形狀的幾 何體中，球體的表而積最小。正是由于表而張力的作用，才會出現(xiàn)露珠、小水銀滴等都收縮 為球形的現(xiàn)象。你若有機會觀察護士給病人輸液，你會看到在輸液之前，護士總是要把輸液管中的空氣 泡排除干凈。不然的話，若讓那些氣泡混入人體血管中，任表而張力的作用下，氣

2、泡將會阻 礙血液的正常流動。下而就來分析一下液體的表而張力，以及液體表而現(xiàn)象發(fā)生的原因。1表面張力的成因、大小和方向表而張力就是促使液體表而收縮的力。液體與氣體的交界而（屬于液體薄層），稱為表 而層。在表而層中，液體分子因受到液體內(nèi)部分子的引力，而有一部分會被拉入液體內(nèi)，致 使表而層液體分子密度小于液內(nèi)分子密度。表而層中液體分子的這種布局，使得液體表而層 就像一張“繃緊”的橡皮膜，而具有收縮趨勢。表面層一直處在具有收縮趨勢的表而張力作 用之下。這里應指岀，液體表而張力與橡皮膜張力在本質上是不同的。橡皮膜的分子間距會隨著 膜面積的增大而增大。而液體表而張力卻不受而枳變化的影響，當液體表而層而積增

3、大時， 液內(nèi)分子會自動進入液面來補充，從而維持液而內(nèi)分子間距不變?？梢杂靡粋€很簡單的實驗，來可說明表而張力的存在。取一段銅絲制成一個直徑約 5&加的圓環(huán)，在環(huán)上跨系一根細紅線（用紅線易于觀察）。將環(huán)浸入洗潔精溶液再取岀， 環(huán)上蒙了一層液膜，這時用粉筆頭輕觸線一側的液膜，原來自由彎曲的紅線則立即被液膜拉 向另一側，成為一段張緊的弧線。實驗表明，液體表而具有收縮到最小而積的趨勢。同時它 還表明，表而張力的方向垂直于任一周界線且與液而相切。理論和實驗表明，表而張力的大小，可用如下公式表示：F = aL （單表面層） F = 2aL （雙表而層）上式中，稱為表而張力系數(shù)。a與液體的種類、溫度等因素有關

4、。不同的液體，a不 同：同一種液體，隨溫度升髙而減小。另外，&也與液體中的雜質有關。因此，當人體 使用了某些藥物后，血液或尿液的表而張力系數(shù)則會發(fā)生變化。在生活中有許多與表而張力有關的現(xiàn)象。例如，對人來說，重力有時會造成很大的麻煩。 人若不慎從高處落下，可能會被摔得不輕。而小昆蟲一點也不害怕重力，它在落下時一點危 險也沒有。但表而張力對某些昆蟲來說則有可能造成很大威脅，小昆蟲有時最怕表而張力。 當一個成人從浴池中站起時，他身上會帶起厚約02巾“的一層水，這些水大約0.5R&,不到 人體重的1%,這對人來說不會感到有什么負擔。即使是人的全身涂滿了肥皂泡沫，英表而 張力對人也不會產(chǎn)生任何威脅。而一

5、只蚊子一旦被肥皂泡沫弄濕，它將很危險。這時蚊子將 難逃表面張力法網(wǎng)”。2球形液面的附加壓強（幾）下而來討論球形液面附加壓強的大小和方向。這里使用球形液面進行分析，主要是考慮 數(shù)學處理上的簡便，所得結論也可以近似地應用于非球形的彎曲液面（也稱彎月面）。對于球形液而，由于液面是彎曲的，其表而張力將產(chǎn)生一個附加壓強（用幾衣示）。 球形液而附加壓強的大小可以用球而膜的拉普拉斯公式來計算：4aT2aT2aT一一 一一 =（雙表面層，如球形肥皂泡）（單表面層，如球形霜珠）（近似半球形液而，如毛細管中的水而）上式表明，幾的大小與表而張力系數(shù)成正比，與球而的半徑成反比。附加壓強心的方 向總是指向球形液而的球心

6、（或是指向彎曲液而的曲率中心）。3氣體栓塞現(xiàn)象液體在細管中流動時，如果管中有氣泡，液體的流動就會受到一立的阻礙。若氣泡數(shù)量 過多，則可能發(fā)生堵塞，液體不能流動，即產(chǎn)生氣體栓塞現(xiàn)象。護上在給病人輸液時必須排 除管路中氣泡，就是基于這個道理。下而運用表而張力和附加壓強知識來解釋氣體栓塞是如何形成的。設液體在細管中從A向B （從左向右）流動，并設管兩端的壓強分別為心和/q,且 PaPb，管兩端壓強差 = pA-PliO如果細管中有一個氣泡，設氣泡半徑等于細管的半 徑，并且液體仍能流動，由于液體粘滯性以及受到壓強差= pA - pH作用，氣泡左、右兩 端面就會發(fā)生形變，左端液而的曲率半徑變大，右端液而

7、的曲率半徑變小。由于彎曲液而附 加壓強與液而的曲率半徑成反比，這時左端液而的附加壓強小于右端液而的附加壓強 PSB。氣泡兩端而的附加壓強之差為Ws=PsBPsA Ss的方向由B指向A （向右），總與 液體流動方向相反。如果此時這時液體仍可帶動該氣泡一起流動。如果管中有“個氣泡，這些氣泡的附加壓強差為”Ws。只有當時，液體才 可能帶動這些氣泡一起流動。如果一旦發(fā)生了的情形，液體將停止流動，從而形成氣體栓塞。在醫(yī)療工作中，要時刻注意避免在人體血管中形成氣體栓塞。4浸潤和不浸潤現(xiàn)象液體跟固體接觸的液體薄層，稱作附著層。在液體跟固體接觸時，會出現(xiàn)兩種情況，一 種是液體能附著在固體表而，使附著層擴展，這

8、稱為浸潤現(xiàn)象（如水對淸潔的玻璃）：另一 種是液體不能附著在固體表而，使附著層收縮，這稱為不浸潤現(xiàn)象（如水銀對玻璃）。浸潤和不浸潤現(xiàn)象就是液體和固體接觸時發(fā)生在附著層上的液體表而現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn) 象的根本原因，來自于分子之間的相互作用。處在附著層內(nèi)的液體分子，受到兩種吸引力的 作用。一種是液體分子之間的吸引力，這稱為內(nèi)聚力。一種是液體分子和固體分子間的吸引 力，這稱為附著力。如果內(nèi)聚力小于附著力，附著層中的任一分子所受的合力與附著層垂直，且指向固體一側，液體分子紛紛擠向附著層，附著層內(nèi)液體分子增多，從而導致附著層擴展。而附 著層的擴展必將引起表面層的而積增大，表而張力則要收縮表而層，以抗衡所造成

9、的表而層 的而積增大，最終當表面張力、內(nèi)聚力、附著力這三力平衡時，即形成浸潤現(xiàn)象。如果內(nèi)聚力大于附著力，附著層中的任一分子所受的合力與附著層垂直，且指向液內(nèi)一 側，液體分子紛紛擠向液體內(nèi)部，附著層中的液體分子減少，從而導致附著層收縮。附著層 收縮必將引起表而層的面積增大，表面張力則要收縮表面層，以抗衡所造成的表面層的而積 增大，最終當表而張力、內(nèi)聚力、附著力三力平衡時，即形成不浸潤現(xiàn)象。5毛細現(xiàn)象在管內(nèi)徑很細的細管中，不論液體對固體是浸潤或不浸潤，苴結果都使液面在細管中形 成凹的或凸的彎月而。浸潤時，液而是凹的（如水在細玻璃管內(nèi)液而為凹而）：不浸潤時， 液而是凸的（如水銀在細玻璃管內(nèi)液面為凸面

10、）。很顯然，細管的內(nèi)徑越小，液而的彎曲程 度越接近于半球而。通常把內(nèi)徑很細（一般小于mm ）的管子稱為毛細管（因管徑細如毛發(fā)而得此劃）o 若把幾根內(nèi)徑不同的細玻璃管插入水中，這時因為水與玻璃是浸潤的，則可看到管內(nèi)水柱表 面要比管外容器中的水而髙，管內(nèi)徑越小，管內(nèi)的水柱表而就越高。若把幾根細玻璃管插入 水銀中，所看到的現(xiàn)象正好與浸潤時的相反,管內(nèi)的水銀柱表面會比管外容器中的水銀而低, 管內(nèi)徑越小，管內(nèi)的水銀柱表面就越低。浸潤液體在毛細管里液而升髙現(xiàn)象和不浸潤液體在毛細管里液面降低的現(xiàn)象，稱為毛細 現(xiàn)象。為什么會發(fā)生毛細現(xiàn)象呢？現(xiàn)以浸潤液體在毛細管中液而上升為例來分析這個問題， 這英中包括多個力之

11、間的相互作用。一是由于附著力使附著層擴展而使表而層的而積增大： 二是凹彎月而上的表而張力為了使液而收縮，就要把液面下的液體向上拉，導致液體在毛細 管內(nèi)上升：三是上升的液柱又受到方向向下的重力的作用。直到出現(xiàn)附著力、表而張力和上 升液柱所受重力這三個力平衡時，管內(nèi)液柱則穩(wěn)左在一泄髙度。很顯然，管內(nèi)徑越細，管內(nèi) 液柱的上升越髙。同樣道理，也可說明不浸潤液體在毛細管內(nèi)液而下降的現(xiàn)象。下而來計算毛細現(xiàn)象中液而上升的高度。為了方便數(shù)學處理，可近似認為毛細管內(nèi)的液 面為半球而。設毛細管的內(nèi)半徑為，液體的表而張力系數(shù)為“。這時表而張力的合力方向 豎直向上，其作用周界為2加，表而張力的合力為F = ra 當液

12、體在毛細管內(nèi)上升的高 度為時，表而張力跟毛細管內(nèi)上升液柱所受重力這二力平衡。如果液體的密度是，則這 段液柱所受的重力為G = pgm h。因為F = G ,所以27n-a = pgTD-h ,由此可得PH上式表明，浸潤液體在毛細管中上升的高度與表面張力系數(shù)成正比，與毛細管內(nèi)半徑跟 液體密度的乘積成反比。毛細管內(nèi)徑越細，管內(nèi)液柱就越髙。上式同樣適用于汁算不浸潤液 體在毛細管內(nèi)液柱的降低高度。在醫(yī)護工作中，用脫脂藥棉制成棉簽、棉球，常用于注射時消毒和外科淸創(chuàng)，這是充分 利用浸潤時的毛細現(xiàn)象。外科手術縫合線需要經(jīng)過蠟處理，使其不浸潤，以減少皮下組織液 滲出，減少或排除細菌感染的機會，這是充分利用不浸

13、潤時的毛細現(xiàn)象。6肺泡上的表面張力由于肺泡內(nèi)壁分布著一層粘性液體，它與肺泡內(nèi)的氣體之間形成一個液-氣交界而，因而具有表而張力。此表而張力會在肺泡內(nèi)表而產(chǎn)生一個附加壓強心=。在人的肺泡內(nèi)表而上分布著一種能減小表而張力系數(shù)的物質。這種表而活性物質是二軟 酯酰卵磷脂與一種特殊的脫輔基蛋白相結合而成的脂蛋白。這種物質的存在，能降低肺泡的 表而張力系數(shù)。對維持人的正常呼吸具有重要意義。下而就來分析一下表而張力在呼吸過程中的作用。當吸氣時，肺泡容積增大，肺泡內(nèi)表而上的表而活性物質的密度隨著減少，降低表面張 力系數(shù)的作用減小，肺泡表而張力系數(shù)相應增大，有利于轉向呼氣。當呼氣時，肺泡容積減 小，肺泡內(nèi)表而上的表而活性物質的密度隨著增加，能顯著降低表而張力系數(shù)，肺回縮力隨 之減弱，使縮小的肺泡不致萎縮，以維持正常的功能余氣呈:，并有利于吸氣時肺泡的重新擴 張。這說明，肺泡上的表面活性物質并不是簡單地減小表而張力系數(shù)使肺泡易于擴張，而是 隨著呼吸周期來調(diào)節(jié)肺泡的表面張力系數(shù)。同樣道理，也可說明新生兒第一次呼吸和第一聲啼哭的重要性。胎兒的肺泡原為粘液所 覆蓋，表而張力的作用使肺泡完全閉合。在臨產(chǎn)時肺泡內(nèi)表而開始分泌表而活性物質，但新 生兒