第9章 液體的表面現(xiàn)象

第9章

液體的表面現(xiàn)象表面張力表面能9.1彎曲液面內(nèi)外的壓強(qiáng)差9.29.1表面張力表面能9.1.1表面張力

任何一個(gè)小單元液體如果忽略其重力作用，將形成球狀。

諸如荷葉上的小水珠、玻璃片上的小水銀珠等。

因?yàn)榉彩求w積相同而表面積最小的形狀就是球形，一定體積的液體表面具有收縮到最小表面積的趨勢(shì)。

這種沿著液體表面相切方向，使液面具有收縮趨勢(shì)的力，稱為表面張力。表面張力類似于固體內(nèi)部的拉伸應(yīng)力，這種應(yīng)力存在于極薄的表面層內(nèi)，是表面層內(nèi)分子作用的結(jié)果。圖9-1液體分子受力情況圖

圖9-2中的長(zhǎng)方框所圍的是一液體表面。

設(shè)想此表面上有一條分界線MN，將液面分為I和Ⅱ兩部分，設(shè)I部分吸引Ⅱ部分分子的力為f1

，Ⅱ部分吸引I部分分子的力為f2

。 f1和f2大小相等，方向相反，并與MN垂直。這就是液面上相接觸兩部分表面相互作用的表面張力。9.1.2表面張力系數(shù)

表面張力的大小可以通過(guò)表面張力系數(shù)來(lái)描述。

圖9-2中的線段MN長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，由于線段L上每點(diǎn)都受力，因此I、II兩部分間表面張力越大。實(shí)驗(yàn)表明：表面張力f作用在表面任意分界線的兩側(cè)，其方向沿著液體表面，并且與分界線垂直；其大小與分界線長(zhǎng)度L成正比，即f=L

圖9-2表面張力9.1.3表面能

現(xiàn)在計(jì)算在圖9-3情形中使液體表面積增加時(shí)做功的情況。圖中用外力F使AB向右移動(dòng)距離Δx，設(shè)移到A′B′位置，外力克服分子間引力所做的功為

式中，ΔS為液膜面積的增量。根據(jù)功能原理，這個(gè)功應(yīng)等于液膜增加表面積時(shí)所增加的分子勢(shì)能EP

，分子勢(shì)能也稱表面能(surfaceenergy)或表面自由能。即

或圖9-3表面張力與表面能的關(guān)系9.2彎曲液面內(nèi)外的壓強(qiáng)差9.2.1彎曲液面的附加壓強(qiáng)

如圖9-4所示，在液面的某一部分，任意取一塊小面積元dS，dS以外的液面對(duì)dS一定有表面張力的作用。圖9-4彎曲液面的附加壓強(qiáng)圖9-5球冠形液面下的附加壓強(qiáng)9.2.2液膜表面的附加壓強(qiáng)

對(duì)于圖9-6所示球形液泡（如肥皂泡）來(lái)說(shuō)，由于液膜有兩個(gè)表面，而且膜很薄，R1≈R2≈R。O點(diǎn)在液泡外，壓強(qiáng)為pO；B點(diǎn)在液膜中，壓強(qiáng)為pB；A點(diǎn)在液泡內(nèi)，壓強(qiáng)為pA。因此液泡內(nèi)外的總壓強(qiáng)差為圖9-6液泡內(nèi)外的壓強(qiáng)差圖9-7氣體從小泡流入大泡9.3潤(rùn)濕和毛細(xì)現(xiàn)象9.3.1潤(rùn)濕現(xiàn)象

液體表面具有收縮到最小面積的趨勢(shì)，小液滴似呈球形。

但在一水平干凈的玻璃板上放一滴水，它不但不縮成球形，反而在玻璃板面上展延成薄層，這種現(xiàn)象稱為潤(rùn)濕現(xiàn)象或浸潤(rùn)現(xiàn)象。

然而，將一滴水銀放在干凈的玻璃板上，它將縮成球形，且可以在板上任意滾動(dòng)而不附在板上，這種現(xiàn)象稱為不潤(rùn)濕現(xiàn)象或不浸潤(rùn)現(xiàn)象。圖9-8液體—固體邊界的附著層圖9-9液體—固體邊界的接觸角9.3.2毛細(xì)現(xiàn)象

將極細(xì)的玻璃管插入水中時(shí)，管中的水面會(huì)升高，并且管的內(nèi)徑越小，水面升得越高。

相反，將這些玻璃管插入水銀中，管中的水銀面會(huì)下降。

這種液體在細(xì)管中上升或下降的現(xiàn)象，稱為毛細(xì)現(xiàn)象。圖9-10毛細(xì)現(xiàn)象9.4表面吸附和表面活性物質(zhì)

液體Ⅰ在液體Ⅱ的表面上伸展成薄膜的現(xiàn)象稱為液體Ⅱ?qū)σ后wⅠ的表面吸附，而把液體Ⅱ稱為對(duì)液體Ⅰ的吸附劑。

一種液體在另一種液體上伸展成薄膜的現(xiàn)象稱為表面吸附現(xiàn)象。水面上的油膜是日常很容易觀察到的表面吸附現(xiàn)象。9.4.1表面吸附現(xiàn)象的解釋

一種密度較小的液滴Ⅰ浮在另一種密度較大的液體Ⅱ的表面上，如圖9-11所示。圖9-11表面吸附現(xiàn)象的解釋9.4.2表面活性物質(zhì)

對(duì)于溶液，其表面張力系數(shù)通常都與純?nèi)軇┑谋砻鎻埩ο禂?shù)有差別，有的溶質(zhì)使溶液的表面張力系數(shù)減小，則稱為表面活性物質(zhì)；有的溶質(zhì)表面張力系數(shù)增大，則稱為表面非活性物質(zhì)。

水的表面活性物質(zhì)常見的有膽鹽、蛋黃素以及有機(jī)酸、酚、醛、酮、肥皂等。

水的表面非活性物質(zhì)常見的有氯化鈉、糖類、淀粉等。9.5肺泡中的壓強(qiáng)

氣體栓塞

肺是進(jìn)行氣體交換的主要器官。左右兩肺分成若干葉。

氣管被分成兩支分叉，通過(guò)支氣管對(duì)每個(gè)肺葉提供空氣。

每一支氣管再分支約15次以上，最后通過(guò)終末細(xì)支氣管膨大成數(shù)百萬(wàn)個(gè)小囊，這種小囊叫做肺泡。

肺泡像互相連通的小液泡，線度約0.20mm。

其壁厚度僅有0.40

μm

，每一肺泡周圍分布著豐富的毛細(xì)血管，所以，氧能從肺泡擴(kuò)散到紅細(xì)胞中，二氧化碳則能從血液擴(kuò)散到肺泡的空氣中。9.5.1肺泡中的壓強(qiáng)

肺泡內(nèi)外的壓強(qiáng)差為：9.5.2氣體栓塞

當(dāng)液體在細(xì)管中流動(dòng)時(shí)，如果管中出現(xiàn)氣泡，由于產(chǎn)生了附加壓強(qiáng)液體的流動(dòng)就會(huì)受到比沒有氣泡存在時(shí)更大的阻礙。

氣泡多了就可能堵塞管子，使液體不能流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為氣體栓塞。

人體血管中若有氣泡進(jìn)入，尤其當(dāng)氣泡連成一串時(shí)，就有可能發(fā)生氣體栓塞，導(dǎo)致生命危險(xiǎn)。血管中產(chǎn)生氣泡的原因一般有以下4種。

（1）輸液或靜脈注射時(shí)，不小心將空氣與藥液一起注入血管。

（2）頸靜脈受損