§6.3 液體的表面現(xiàn)象

1、6.3 液體的表面現(xiàn)象液體的表面現(xiàn)象 一種物質(zhì)與另一種物質(zhì)一種物質(zhì)與另一種物質(zhì)( (或雖是同一種物質(zhì)，但其微或雖是同一種物質(zhì)，但其微觀結(jié)構(gòu)不同觀結(jié)構(gòu)不同) )的交界處是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡層的交界處是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡層, ,它也稱(chēng)為它也稱(chēng)為界面。界面。 界面的物理性質(zhì)不同于物質(zhì)內(nèi)部，具有很大的特殊性。界面的物理性質(zhì)不同于物質(zhì)內(nèi)部，具有很大的特殊性。 其中最為簡(jiǎn)單的是液體的表面現(xiàn)象。其中最為簡(jiǎn)單的是液體的表面現(xiàn)象。 至于固體的表面及界面性質(zhì)，請(qǐng)參閱選讀材料至于固體的表面及界面性質(zhì)，請(qǐng)參閱選讀材料6.26.2。 6.3.1 表面張力與表面能表面張力與表面能 ( (一一) ) 表面張力表面張力 當(dāng)液體與另一

2、種介質(zhì)當(dāng)液體與另一種介質(zhì)( (例如與氣體、固體或另一種液體例如與氣體、固體或另一種液體) )接觸時(shí)，在液體表面上會(huì)產(chǎn)生一些與液體內(nèi)部不同的性接觸時(shí)，在液體表面上會(huì)產(chǎn)生一些與液體內(nèi)部不同的性質(zhì)。質(zhì)。 現(xiàn)在先考慮液體與氣體接觸的自由表面中的情況?，F(xiàn)在先考慮液體與氣體接觸的自由表面中的情況。 在在4.2.34.2.3中已指出，表面張力是作用于液體表面上的中已指出，表面張力是作用于液體表面上的使液面具有收縮傾向的一種力。使液面具有收縮傾向的一種力。 ( (二二) ) 表面能與表面張力系數(shù)表面能與表面張力系數(shù) （三）負(fù)表面能（三）負(fù)表面能 ( (四四) ) 表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)

3、系 *6.3.2表面活性劑表面活性劑6.3.3 彎曲液面附加壓強(qiáng)彎曲液面附加壓強(qiáng) 很多液體表面都呈曲面形狀，很多液體表面都呈曲面形狀， 常見(jiàn)的液滴、毛細(xì)管中水銀表面及肥皂泡的外表面都是常見(jiàn)的液滴、毛細(xì)管中水銀表面及肥皂泡的外表面都是凸液面，凸液面， 而水中氣泡、毛細(xì)管中的水面、肥皂泡的內(nèi)液面都是而水中氣泡、毛細(xì)管中的水面、肥皂泡的內(nèi)液面都是凹液面。凹液面。 由于表面張力的存在，致使彎曲液面內(nèi)外由于表面張力的存在，致使彎曲液面內(nèi)外存在的壓強(qiáng)差稱(chēng)為曲面附加壓強(qiáng)。存在的壓強(qiáng)差稱(chēng)為曲面附加壓強(qiáng)。( (一一) ) 球形液面的附加壓強(qiáng)球形液面的附加壓強(qiáng) 考慮一半徑為考慮一半徑為R R 的球形液滴，在液滴中

4、取出球面中心的球形液滴，在液滴中取出球面中心角為角為2 2 的球面圓錐，如圖所示。的球面圓錐，如圖所示。 研究這一部分球面研究這一部分球面S S 所受外力情況。所受外力情況。 顯然，球面顯然，球面S S 邊界線上受到其他部分球面的表面張邊界線上受到其他部分球面的表面張力作用，其方向沿球面切線向外。力作用，其方向沿球面切線向外。 設(shè)設(shè)d dl l 周界受到的表面張力為周界受到的表面張力為d df f，由于邊界上的，由于邊界上的d df f 沿沿 OC OC 中心軸對(duì)稱(chēng)，因而水平分量中心軸對(duì)稱(chēng)，因而水平分量d df f2 2 相互抵消，而垂相互抵消，而垂直分量直分量 d df f1 1 = d=

5、df fsinsin = =d dl lsin sin 其合力其合力f f = =d df f1 1= =sin sin d dl l = =sin sin 22r r 因因sin sin = = r/ Rr/ R , , 且合力且合力f f 指向球心，指向球心， 合力合力f f = =sin sin 22r r 的大小為的大小為 f f = 2= 2r r 2 2/ R/ R 因?yàn)檫@一球面圓錐是任因?yàn)檫@一球面圓錐是任意取的，所以任何一個(gè)意取的，所以任何一個(gè)球面，球面， 或者任一半徑為或者任一半徑為 R R 的凸液面，都作用于球面內(nèi)的液的凸液面，都作用于球面內(nèi)的液體一個(gè)體一個(gè) p p = 2

6、= 2/ R / R 的附加壓強(qiáng)。的附加壓強(qiáng)。曲面的表面張力所產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)為曲面的表面張力所產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)為 p p附附 = =f f / /r r2 2 = 2 = 2/ R/ R 若是凹液面，則液體內(nèi)部壓強(qiáng)小于外部壓強(qiáng)，附加若是凹液面，則液體內(nèi)部壓強(qiáng)小于外部壓強(qiáng)，附加壓強(qiáng)是負(fù)的。壓強(qiáng)是負(fù)的。 不管如何，球形液面內(nèi)外處于力學(xué)平衡時(shí)，球內(nèi)壓強(qiáng)不管如何，球形液面內(nèi)外處于力學(xué)平衡時(shí)，球內(nèi)壓強(qiáng)總要比球外大總要比球外大2 2/ R/ R 。 下面來(lái)估算液滴的附加壓強(qiáng)下面來(lái)估算液滴的附加壓強(qiáng). .設(shè)水的表面張力系數(shù)設(shè)水的表面張力系數(shù)為為0.073 N/m,0.073 N/m,若液滴半徑為若液滴半徑為1

7、 cm,1 cm,則則 2mN14.60.010.07322rp附差不多是差不多是1.46 1.46 1010 4 4 atm atm , ,說(shuō)明只有半徑非常小的說(shuō)明只有半徑非常小的曲面曲面, ,才有較明顯的附加壓強(qiáng)。才有較明顯的附加壓強(qiáng)。 ( (二二) )拉普拉斯公式拉普拉斯公式、任意彎曲液面附加壓任意彎曲液面附加壓強(qiáng)強(qiáng) （三）彈性曲面的附加壓強(qiáng)（三）彈性曲面的附加壓強(qiáng)6.3.4 潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕 毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象 ( (一一) ) 潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕現(xiàn)象潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕現(xiàn)象 (1)(1)潤(rùn)濕現(xiàn)象與不潤(rùn)濕現(xiàn)象潤(rùn)濕現(xiàn)象與不潤(rùn)濕現(xiàn)象 水能潤(rùn)濕水能潤(rùn)濕( (或稱(chēng)浸潤(rùn)或稱(chēng)浸潤(rùn)) )清潔的玻璃但不能潤(rùn)濕

8、涂有油脂的清潔的玻璃但不能潤(rùn)濕涂有油脂的玻璃。玻璃。 水不能潤(rùn)濕荷花葉，因而小水滴在荷葉上形成晶瑩的球水不能潤(rùn)濕荷花葉，因而小水滴在荷葉上形成晶瑩的球形水珠。形水珠。 在玻璃上的小水銀滴也呈球形，說(shuō)明水銀不能潤(rùn)濕玻璃。在玻璃上的小水銀滴也呈球形，說(shuō)明水銀不能潤(rùn)濕玻璃。 焊接中的潤(rùn)濕現(xiàn)象與不潤(rùn)濕現(xiàn)象焊接中的潤(rùn)濕現(xiàn)象與不潤(rùn)濕現(xiàn)象 (2)(2)對(duì)潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕的定性解釋對(duì)潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕的定性解釋 潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕只潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕只能說(shuō)明彎曲面向能說(shuō)明彎曲面向上，向下，不能上，向下，不能表示彎向上或彎表示彎向上或彎向下的程度。向下的程度。為了判別潤(rùn)濕與為了判別潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕的程度，不潤(rùn)濕的程度，引入液體自由表引入

9、液體自由表面與固體接觸表面與固體接觸表面間接觸角面間接觸角。 (3)(3)接觸角接觸角 接觸角接觸角定義：固、液、氣三定義：固、液、氣三者共同相互接觸點(diǎn)處分別作液體者共同相互接觸點(diǎn)處分別作液體表面切線與固體表面切線表面切線與固體表面切線( (該切該切線指向固線指向固- -液接觸面這一側(cè)液接觸面這一側(cè)) )， 兩切線通過(guò)液體內(nèi)部所交兩切線通過(guò)液體內(nèi)部所交角是接觸角。角是接觸角。 顯然，顯然，009090為潤(rùn)濕的情形，為潤(rùn)濕的情形， 9090180180為不潤(rùn)濕的情形。為不潤(rùn)濕的情形。 習(xí)慣把習(xí)慣把= 0= 0時(shí)的液面稱(chēng)為完全潤(rùn)濕，時(shí)的液面稱(chēng)為完全潤(rùn)濕， =180=180的液面稱(chēng)為完全不潤(rùn)濕的液面

10、稱(chēng)為完全不潤(rùn)濕。 又例如，浮在液面上的完全不潤(rùn)濕的均質(zhì)立方體木又例如，浮在液面上的完全不潤(rùn)濕的均質(zhì)立方體木塊所受的表面張力的方向是向上的，這時(shí)物體的重力被塊所受的表面張力的方向是向上的，這時(shí)物體的重力被浮力與物體所受表面張力所平衡浮力與物體所受表面張力所平衡 。 （二）毛細(xì)現(xiàn)象（二）毛細(xì)現(xiàn)象 內(nèi)徑細(xì)小的管子稱(chēng)為毛細(xì)管。把毛細(xì)玻璃管插入可內(nèi)徑細(xì)小的管子稱(chēng)為毛細(xì)管。把毛細(xì)玻璃管插入可潤(rùn)濕的水中，管內(nèi)水面會(huì)升高，毛細(xì)管內(nèi)徑越小，水潤(rùn)濕的水中，管內(nèi)水面會(huì)升高，毛細(xì)管內(nèi)徑越小，水面升得越高；面升得越高； 把毛細(xì)玻璃管插入不可潤(rùn)濕的水銀中，管中水銀面把毛細(xì)玻璃管插入不可潤(rùn)濕的水銀中，管中水銀面要降低，內(nèi)徑

11、越小，水銀面降得越低，這樣的現(xiàn)象稱(chēng)要降低，內(nèi)徑越小，水銀面降得越低，這樣的現(xiàn)象稱(chēng)為毛細(xì)現(xiàn)象。為毛細(xì)現(xiàn)象。 毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象是是由毛細(xì)管中彎曲液面由毛細(xì)管中彎曲液面的附加壓強(qiáng)引起的?；蛘哒f(shuō)是由彎的附加壓強(qiáng)引起的?；蛘哒f(shuō)是由彎曲液面表面張力提升產(chǎn)生的。曲液面表面張力提升產(chǎn)生的。 附加壓強(qiáng)使圖中彎曲面下面的附加壓強(qiáng)使圖中彎曲面下面的A A點(diǎn)處壓強(qiáng)比彎曲面上面點(diǎn)處壓強(qiáng)比彎曲面上面D D 點(diǎn)壓點(diǎn)壓強(qiáng)低，強(qiáng)低， 而而D D、C C、B B 處的壓強(qiáng)都等于大處的壓強(qiáng)都等于大氣壓強(qiáng)氣壓強(qiáng) p p0 0 。 所以彎曲液面要升高，一直升到所以彎曲液面要升高，一直升到其高度其高度 h h 滿(mǎn)足滿(mǎn)足 p p0 0p pA A = 2= 2/ /R R = =ghgh 由圖可見(jiàn)，毛細(xì)管半徑