第八章液體教材

第八章液體（liquid）8.1液體的微觀結(jié)構(gòu)液晶8.2液體的徹體性質(zhì)8.3液體的表面性質(zhì)3/23/20241崎山苑工作室8.1液體的微觀結(jié)構(gòu)液晶一、液體的微觀結(jié)構(gòu)

液體的性質(zhì)介于氣體與固體之間。一方面，它像固體那樣具有一定的體積，不易壓縮；另一方面，它又像氣體那樣，沒有一定的形狀，具有流動(dòng)性，在物理性質(zhì)上各向同性。液體的這種特征是由它的微觀結(jié)構(gòu)所決定的。1.液體分子排列情況

液體分子密集在一起；在很小的范圍內(nèi)具有近程有序的特點(diǎn)，不具備晶體的遠(yuǎn)程有序特點(diǎn)；在宏觀上表現(xiàn)為各向同性。液體的這種結(jié)構(gòu)與非晶體相同。3/23/20242崎山苑工作室2.液體分子熱運(yùn)動(dòng)情況

液體分子的熱運(yùn)動(dòng)主要是在平衡位置附近作微小振動(dòng)；液體分子不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間在一個(gè)固定的平衡位置上振動(dòng)，僅僅能保持一個(gè)短暫時(shí)間。液體分子在各個(gè)平衡位置振動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短不一，但在一定的溫度及壓強(qiáng)下，各種液體都有其一定的平均值，稱為定居時(shí)間(dwelltime)。定居時(shí)間比分子在平衡位置附近的振動(dòng)周期長(zhǎng)很多。定居時(shí)間

的大小既體現(xiàn)了分子力的作用，又體現(xiàn)了熱運(yùn)動(dòng)的作用。分子排列越緊密，分子間的相互作用就越大，分子就越不容易移動(dòng)，因而

就越大；溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)能量增大，則

就減小。3/23/20243崎山苑工作室二、液晶（liquidcrystal）

某些有機(jī)化合物在加熱時(shí)，并不直接由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而是要經(jīng)過一個(gè)（或）幾個(gè)介于固態(tài)與液態(tài)之間的過渡狀態(tài)，這種處在過渡狀態(tài)的物質(zhì)稱為液晶（liquidcrystal）

。

液晶的力學(xué)性質(zhì)象是液體，具有液體的流動(dòng)性；光學(xué)性質(zhì)象晶體，具有晶體的有光學(xué)各向異性。

液晶只能存在于一定的溫度范圍內(nèi)，溫度范圍的下限T1稱為熔點(diǎn)，上限T2稱為清亮點(diǎn)。溫度T＜T1時(shí)為普通晶體，溫度T＞T2時(shí)為各向同性的液體。根據(jù)分子的不同排列情況，液晶可分為下列三種類型：3/23/20244崎山苑工作室1向列型液晶nematicliquidcrystal

分子呈棒狀，分子的質(zhì)心沒有長(zhǎng)程的有序性，分子沿上下方向排列整齊，沿前后方向排列不規(guī)則，這種形態(tài)的化合物形成向列型液晶。如圖所示。向列型液晶材料一般是人工合成的有機(jī)物質(zhì)。利用向列型液晶的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)可以制作各種顯示器件。3/23/20245崎山苑工作室2膽甾型液晶cholestericliquidcrystal如圖，由許多層分子，每層分子的排列方向相同，但相鄰兩層分子排列方向稍有旋轉(zhuǎn)，通過層疊形成螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)分子的排列旋轉(zhuǎn)360度而又回到原來方向時(shí)，分子排列完全相同的兩層間的距離稱為膽甾型液晶的螺距。膽甾型液晶具有溫度效應(yīng)，隨著溫度的變化，有選擇地反射光。利用溫度效應(yīng)，可以探測(cè)微電子學(xué)中熱點(diǎn)（短路處），檢查制冷機(jī)的漏熱，以及診斷疾病，探查腫瘤，探知金屬材料和零件的缺陷等等。3/23/20246崎山苑工作室3近晶型液晶smecticliquidcrystal如圖，分子呈棒狀，排列成層，各層之間的距離可以變動(dòng)，但分子不會(huì)來往于層間，只能在本層中活動(dòng)，這類液晶在排列上的有序程度上和晶體相近，稱為近晶型。

液晶的獨(dú)特性質(zhì)是它對(duì)各種外界因素的微小變化都很敏感，很小的外界能量就能使它的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使相應(yīng)的功能發(fā)生變化。發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)有電光效應(yīng)、熱效應(yīng)、磁效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、超聲效應(yīng)、應(yīng)力效應(yīng)、物理化學(xué)效應(yīng)、輻射效應(yīng)等等。3/23/20247崎山苑工作室3近晶型液晶smecticliquidcrystal如圖，分子呈棒狀，排列成層，各層之間的距離可以變動(dòng)，但分子不會(huì)來往于層間，只能在本層中活動(dòng)，這類液晶在排列上的有序程度上和晶體相近，稱為近晶型。

液晶的獨(dú)特性質(zhì)是它對(duì)各種外界因素的微小變化都很敏感，很小的外界能量就能使它的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使相應(yīng)的功能發(fā)生變化。發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)有電光效應(yīng)、熱效應(yīng)、磁效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、超聲效應(yīng)、應(yīng)力效應(yīng)、物理化學(xué)效應(yīng)、輻射效應(yīng)等等。3/23/20248崎山苑工作室8.2液體的徹體性質(zhì)一、heatcapacity實(shí)驗(yàn)表明，固體熔解前后，固體的熱容量與液體的熱容量相差很少。

上面數(shù)據(jù)說明液體和固體內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的情況相近，液體中分子熱運(yùn)動(dòng)的主要形式也是振動(dòng)。3/23/20249崎山苑工作室二、熱膨脹

溫度升高時(shí)液體體積增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹。熱膨脹的原因之一是分子間引力及斥力的不對(duì)稱（與固體熱膨脹原因相同）；之二是液體內(nèi)部孔隙的出現(xiàn)，孔隙使液體具有海綿的特點(diǎn)。

為液體的熱膨脹系數(shù)，隨溫度的升高而增大，隨壓強(qiáng)的增大而減小。3/23/202410崎山苑工作室三、熱傳導(dǎo)

液體的熱傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)上靠熱振動(dòng)之間的相互聯(lián)系，將熱運(yùn)動(dòng)能量逐層傳遞的。由于熱傳導(dǎo)系數(shù)很小，所以由這種機(jī)構(gòu)所傳遞的熱量是很小的。如圖所示實(shí)驗(yàn)。在需要加速熱交換時(shí)要利用對(duì)流現(xiàn)象。3/23/202411崎山苑工作室四、擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液體中物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)比固體中稍大，液體分子的熱運(yùn)動(dòng)情況和固體粒子熱運(yùn)動(dòng)情況相似，擴(kuò)散機(jī)構(gòu)也相似，自擴(kuò)散系數(shù)為：

為定居時(shí)間

為兩相鄰平衡位置間平均距離定居時(shí)間

和溫度T之間的關(guān)系近似為：

0是分子在平衡位置振動(dòng)的周期

W是分子從一個(gè)平衡位置轉(zhuǎn)向另一個(gè)平衡位置時(shí)的激活能3/23/202412崎山苑工作室擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的升高面迅速增加，這一點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合。

由于液體的擴(kuò)散系數(shù)很?。ū?－6），擴(kuò)散過程緩慢，因而沒有攪動(dòng)或?qū)α鲿r(shí)，液體濃度不容易趨向均勻。3/23/202413崎山苑工作室五、粘滯性在液體的情形下，溫度越低，粘滯系數(shù)越大，而且隨著溫度的降低粘滯系數(shù)

是近似地按指數(shù)規(guī)律增大的。液體粘滯系數(shù)的特點(diǎn)是由液體中熱運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)所引起的。分子改變平衡位置的次數(shù)越少，液體的流動(dòng)性就越小，而粘滯系數(shù)就越大，即定居時(shí)間

越大，液體的粘滯系數(shù)

就越大。液體粘滯系數(shù)是和定居時(shí)間成正比。經(jīng)驗(yàn)公式：常數(shù)a，c，n對(duì)于各種液體有不同數(shù)值。3/23/202414崎山苑工作室3/23/202415崎山苑工作室3/23/202416崎山苑工作室8.3液體的表面性質(zhì)一、表面張力（surfacetension）

很多現(xiàn)象說明，液體表面有如緊張的彈性薄膜，有收縮的趨勢(shì)，這表明液體表面內(nèi)存在著張力，這種張力稱為表面張力。表面張力類似于固體內(nèi)部的拉伸應(yīng)力，是表面內(nèi)分子力作用的結(jié)果。表面張力系數(shù)

定義一：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度直線兩旁液面的相互拉力。3/23/202417崎山苑工作室表面張力系數(shù)

定義二：數(shù)值上等于增加單位表面積時(shí)，外力所作的功。從功的角度討論表面張力系數(shù)如圖，要使BC邊保持不動(dòng)，必須加一力F與表面張力平衡，則：所作的功：表面張力系數(shù)

定義三：數(shù)值上等于增加單位表面積時(shí)所增加的表面能。

由于外力F所作的功完全用于克服表面張力而轉(zhuǎn)變?yōu)橐耗け砻婺蹺，即3/23/202418崎山苑工作室不受任何外力作用的液體，即液體所受的重力和其它外力的合力為零時(shí)，在表面張力的作用下應(yīng)使表面自由能為極小，所以液體應(yīng)取表面積為最小的球體形狀。3/23/202419崎山苑工作室各種液體表面張力系數(shù)各不相同。（1）表面張力系數(shù)與液體的成分有關(guān)，密度小的、容易蒸發(fā)的液體的表面張力系數(shù)小。（2）表面張力系數(shù)與溫度有關(guān)，溫度升高，表面張力系數(shù)就減小。實(shí)驗(yàn)表明，表面張力系數(shù)與溫度的關(guān)系近似地為一線性關(guān)系。（3）表面張力系數(shù)與相鄰物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。（4）表面張力系數(shù)與雜質(zhì)有關(guān)，加入雜質(zhì)能顯著改變液體的表面張力系數(shù)。能使表面張力系數(shù)減小的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。例如肥皂是最常見的表面活性物質(zhì)。3/23/202420崎山苑工作室二、表面層內(nèi)分子力的作用從微觀的角度看來，液體表面并不是一個(gè)幾何面，而是有一定厚度的薄層，稱為表面層。表面層的厚度等于分子引力的有效作用距離S。

液體分子間的相互作用力可分為引應(yīng)力和斥應(yīng)力。

在液體內(nèi)部，引應(yīng)力和斥應(yīng)力的大小都和所取的截面方位無關(guān)。而在表面層內(nèi)排斥力的有效作用距離很短，可以認(rèn)為是分子在接觸時(shí)才起作用，因而除液體的極表面以外，表面層中其它各點(diǎn)處的斥應(yīng)力，其大小仍與所取截面的方位無關(guān)。3/23/202421崎山苑工作室而對(duì)于引應(yīng)力來說，情況則不一樣。如圖所示，半徑為S的球內(nèi)所有分子都能與O點(diǎn)處分子有引力相互作用，方向也各不相同，即表面層內(nèi)引應(yīng)力的大小與所取截面的方位有關(guān)，方向也不一定與截面垂直。

表面張力就是由表面層中引應(yīng)力的這種各向異性所引起的。

表面層中分子和內(nèi)部分子相比，缺少了一些能吸引它的分子，（圖中畫斜線的部分），則由引力所引起的負(fù)勢(shì)能少了一些，即勢(shì)能高了一些。

表面越大，在表面層中的分子數(shù)就越多，整個(gè)表面層的勢(shì)能就越大。液體表面增大時(shí)，表面層的勢(shì)能就要增大，反之就要減小。由于勢(shì)能問題有減小的傾向，因此表面就有收縮的趨勢(shì)，從而說明表面上存在有張力。從微觀看來，表面自由能就是在等溫條件下表面層中所有分子的勢(shì)能。3/23/202422崎山苑工作室三球形液面內(nèi)外的壓強(qiáng)差在肥皂泡、水中氣泡、液滴以及固體與液體接觸的地方，液面都是彎曲的。在某些情況下可能是凸液面，在另一種情況下可能是凹液面。由于表面張力的存在，液面內(nèi)和液面外有一壓強(qiáng)差，稱為附加壓強(qiáng)。在凸面的情形下附加壓強(qiáng)是正的，即液面內(nèi)部的壓強(qiáng)大于液面外部的壓強(qiáng)；在凹面的情形下，附加壓強(qiáng)是負(fù)的，即液面內(nèi)部的壓強(qiáng)小球液面外部的壓強(qiáng)。如圖，設(shè)在液面處隔離出一球帽狀小液塊，其受力情況為：通過小液塊的邊線作用在液塊上的表面張力；由附加壓強(qiáng)引起的通過底面作用于液塊的力p

r2；重力（可以忽略）。當(dāng)小液塊處于平衡時(shí)則所受合力為0。3/23/202423崎山苑工作室作用于dl的表面張力：df=

dl垂直于底面的分力：df1=dfsin=dlsin

平行于底面的分力：df2=dfcos=dlcos

分力df2的合力為0，則合力f1為根據(jù)平衡條件，f1＝

p

r2

表面張力系數(shù)越大，球面的半徑越小，附加壓強(qiáng)就越大。若液面為凹面，則上式多一負(fù)號(hào)。3/23/202424崎山苑工作室四液面與固體接觸處的表面現(xiàn)象

潤濕和不潤濕現(xiàn)象是液體和固體接觸處的表面現(xiàn)象。潤濕和不潤濕決定于液體和固體的性質(zhì)。潤濕和不潤濕是由固、液分子間的相互吸引力（稱為附著力），大于或小于液、液分子間相互吸引力（稱為內(nèi)聚力）決定的。若內(nèi)聚力大于附著力，則分子所受合力指向液體內(nèi)部，意味著附著層勢(shì)能較大，因勢(shì)能有減小趨向引起附著層縮小，則液體不潤濕固體，反之則潤濕。3/23/202425崎山苑工作室在液體與固體接觸處，作液體表面的切線與固體表面的切線，兩切線通過液體內(nèi)部所成的角度

，稱為接觸角。液體延展在全部固體表面液體潤濕固體液體不潤濕固體液體完全不潤濕固體3/23/202426崎山苑工作室五毛細(xì)現(xiàn)象

潤濕管壁的液體在細(xì)管里升高，而不潤濕管壁的液體在細(xì)管里降低的現(xiàn)象，稱為毛細(xì)現(xiàn)象。能夠發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象的管子叫毛細(xì)管。毛細(xì)現(xiàn)象是由表面張力和接觸角所決定的。如圖，將液面看作半徑為R的球面，則A點(diǎn)壓強(qiáng)：B點(diǎn)壓強(qiáng)：3/23/202427崎山苑工