液体的表面张力与内压力
液体的表面张力与内压力
设 想 有一 柱状 液 体 ， 它 拉 开分成 两 半 （ ２ 。若 液 体 的 将 图 ） 横 截 面积 为 ４， 不难 得 到拉 开 时需 做之 功 为 ： 则
：
２ｒ ｔ Ａ
（） １
图 １ 表 面 张 力 的 力 学 类 比
式 中 为液 体 的表 面张 力 。等 式右 边 乘 ２是 因为 拉开பைடு நூலகம்后 形成
则 内聚功 也可表 示为 ： Ｆ ／
＝
（） ２
因此 ， 由式 （ ） １ 和式 （ ） ２ 可得 ：
÷ｚ ２ ＝
按 照热力 学定义 ， 状液体 的 内压 力可 表示 为 ： 柱
（） ３
（
人式 （ ） ３ 可得 ： ＰＺ ２ － ＝ ｏ
） Ｆ ＝
㈩
式 （ 在 温 ， 柱 液 的 面 Ａ 变 条 下膨 ｄ 离 引 的 力 中 为 恒 时 持 状 体 截 积 不 的 件 ， ｒ 所 起 热 ） 保 胀距
第２ 卷 第３ ５ 期
大 学 化 学
２１年６ ００ 月
液 体 的 表 面 张 力 与 内压 力
黑 恩成 刘 国 杰
上海 ２０３ ） ０ ２ ７ （ 东 理 工 大学 化 学 系 华
摘要
建立 了液体 表面张力 与内压力间 的定量关 系 ， 并据 此得 到了液体表 面层 的厚 度或分 子
间的有效作用距离 。
在 涉 及液 体 的表 面 张力是 怎样产 生 的 问题 时 ， 些专 著 和 物 理 化 学教 科 书是 将 表 面 张力 有 与液体 的 内压 力相 联 系 ， 阐明两 者 的区别 以及 它们 之 问的 密切关 系 。这 对理 解液 体表 面 张 力 的来 源 有重 要 的意 义 。本 文试 图进 一 步从 定量 角 度 来 阐 明这 个 问题 ， 从 中引 出有 价值 的 并 信息。
液体力学中的表面张力与界面现象
液体力学中的表面张力与界面现象液体力学是物理学的一个分支，研究以及描述液体的力学行为。
其中一个重要的概念就是表面张力和界面现象。
本文将深入探讨液体力学中的表面张力和界面现象的原理以及它们在日常生活中的应用。
表面张力是液体分子之间的一种内聚力，它使得液体表面上的分子相互吸引，表现出一种“膜”的特性。
具体来说，液体分子在表面上会受到来自内部分子的吸引力，所以它们会聚集在一起，形成一个能够承受外力的弹性薄层。
这种力量在液体的小滴或者泡沫上表现得尤为明显。
表面张力的大小可以通过测量一个液体的能够在单位长度上支撑多大的重量来确定。
举个例子，如果你将一个铁环轻轻地放在水面上，你会发现水的表面张力足够强大，能够支撑起整个铁环。
这也是为什么某些昆虫能够在水上行走的原因，因为它们的体重并不足以破坏水的表面张力。
界面现象是指当两种不同的液体相遇时所产生的现象。
它涉及到液体之间界面的特性，以及界面上的现象，如表面张力和吸附现象。
当两种液体相互接触时，它们之间会产生相互作用力。
一种常见的界面现象是液体之间的混合和互溶。
一个经典的界面现象就是水和油的不互溶性。
水和油分子之间的互相排斥导致它们在混合时形成界面，形成一个有各种尺寸的水滴悬浮在油的表面上。
这是因为水分子之间的吸引力大于水和油之间的吸引力，所以它们更愿意聚集在一起。
界面现象在很多实际应用中都起到重要的角色。
一个重要的应用是液体和固体之间的界面，如润湿现象。
润湿是指液体在固体表面上的分布情况。
如果液体能够均匀地分布在固体表面上，我们称之为良好的润湿。
如果液体无法均匀地分布在固体表面上，则称之为不良的润湿。
润湿现象在很多领域都有重要的应用，如涂料工业、医疗材料、和光学镀层等。
另一个重要的应用是液体和气体之间的界面，如气泡和泡沫。
气泡和泡沫的形成与表面张力密切相关。
当一个封闭的气体被液体包裹时，液体分子在外部施加的压力会使得气体内部的压力大于外部压力，就会出现气泡。
通过控制表面张力和液体的性质，可以控制气泡的大小和稳定性，这在食品工业和洗涤剂等领域有着广泛的应用。
液体表面张力实验原理
液体表面张力实验原理
液体表面张力实验的原理是基于液体分子之间的相互作用力。
液体分子在表面上受到向内的吸引力，使得液体的表面呈现出一种收缩状态，这种收缩状态可以被测量和描述为液体的表面张力。
液体表面两侧的分子力不平衡。
在液体表面上，由于液体分子不像内部处那样受到周围分子的吸引，因此存在相应的张力作用于液体表面。
这一张力试图使液体表面最小化，即使液体分子尽可能地靠拢，从而形成一个比内部分子之间更加密集的层。
液体表面上的分子之间的吸引力是由于分子间的范德华力所产生的。
通过测量液体表面张力，可以得到液体表面的张力系数。
常见的实验方法是利用各种装置来测量液滴、泡沫或液面曲面的形状，并通过计算和分析来获得液体表面张力的数值。
例如，一个常用的实验方法是测量液滴的形状，并根据杨-拉
普拉斯方程来计算液体表面张力。
杨-拉普拉斯方程描述了液
体滴对应的曲面形状与液体表面张力之间的关系。
通过测量液体滴的半径和液滴高度，并使用该方程，可以计算出液体表面张力的数值。
另一种常见的实验方法是利用测力计测量液体升降管上的液体高度差。
通过确定液体高度差和管半径之间的关系，可以计算出液体表面张力的数值。
总之，液体表面张力实验的原理是通过测量液体表面的形状或液体高度差来计算液体表面张力的数值，从而了解液体分子间相互作用的程度和性质。
压力与表面张力的关系研究
压力与表面张力的关系研究导言：在我们日常生活中，“压力”和“表面张力”是两个常被提及的物理术语。
压力是物体受到的力对其表面单位面积的作用，而表面张力则是液体表面受力产生的一种现象。
而这两者之间是否存在一定的关系一直是科学界争论的话题。
本文将探讨压力与表面张力之间的关系，以及其可能的影响因素。
一、压力对表面张力的影响在初步研究压力与表面张力的关系时，我们需要先了解表面张力本身的概念。
表面张力是由分子力在液体表面处产生的一种现象，其导致液体表面形成薄膜状，并且呈现出一定的弹性。
表面张力具体体现为液体表面形成的腊肠状，我们常常可以通过实验中使用的水滴观察到这种现象。
那么，压力对表面张力有何影响呢？一般情况下，压力会增加液体表面张力。
这是因为压力增大时，分子间的相互作用也会增强，导致表面张力变大。
实验证实了这一点，当我们向液体表面施加一定压力时，可以看到水滴变得更加圆润，并且更难以流动。
二、液体性质对压力与表面张力的影响除了压力本身，液体的性质也对压力与表面张力的关系产生影响。
不同种类的液体由于分子结构和化学性质的差异，其在受到压力作用下，表面张力的变化也不尽相同。
以水和油为例，两者在受到相同压力作用下表现出的表面张力变化有着明显的差异。
水在压力作用下表面张力增大较明显，而油则表现出较小的变化。
这是因为水分子的极性较高，其分子间相互作用较强，压力的增加会进一步加强分子间的吸引力，而导致表面张力增大。
而油分子则以非极性为主，分子间的相互作用较弱，所以压力对表面张力的影响并不明显。
三、温度对压力与表面张力的影响除了压力和液体性质，温度也是影响压力与表面张力关系的重要因素。
在液体受到压力作用下，温度的变化会进一步调节表面张力的变化。
一般情况下，温度升高对表面张力的影响是降低其数值。
这是因为温度上升会使分子动能增加，分子的跃迁或者离子的激发增多，从而削弱分子之间的吸引力，导致表面张力的降低。
通过实验可以发现，当我们使用高温加热液体时，其表面张力呈现下降的趋势。
液体的表面张力
小结 表面张力 表面能
f = α ⋅l
E = αS
2α 球形液面附加压强 P S = R 2α 2α cosθ = h= 毛细现象 ρgR ρgr
Homework
• 4-10, 4-11，4-13，4-13，4-15 ， ， ，
• 2.假如两种同温度液体混合时不发生 假如两种同温度液体混合时不发生 化学反应，也不分层， 化学反应，也不分层，且体积不变 为分体积之和）， ），请你猜想混合液 （为分体积之和），请你猜想混合液 体的表面张力系数，并说明理由。 体的表面张力系数，并说明理由。
接触角
在固体与液面之间通过液 体内部的夹角。 体内部的夹角。
θ =0
完全润湿
0 <θ <
润湿
π
π
2
2
<θ <π
θ =π
不润湿
完全不润湿
液面在坚直毛细管中的改变
PA = PC = PD = P0
2α PB = PA − R = PC − ρgh
2α 2α cosθ h= = ρgR ρgr
气体栓塞 液体在细管中流动时, 液体在细管中流动时,由于存在气 泡而导致的流动受阻的现象。 泡而导致的流动受阻的现象。
完整肥皂膜
剌破一边后
肥皂膜使软线绷紧的演示
1.表面张力的大小和方向 表面张力的大小和方向 (Magnitude and direction of surface tension ）
表面张力的方向 (Direction of surface tension） ）
表面张力方向：垂直于分界线并与液体表面相切。 表面张力方向：垂直于分界线并与液体表面相切。
4α Ps = PC − PA = R
吹泡泡用的什么原理
吹泡泡用的什么原理吹泡泡的原理主要涉及到液体表面张力、气泡膜的稳定性和气泡内压力的平衡等因素。
以下是对吹泡泡原理的详细解释和分析。
第一，液体表面张力。
表面张力是指液体内部分子间相互作用力在表面上所表现出来的一种现象。
液体的分子之间存在着吸引力，使得液体表面上的分子受到内部分子的拉扯。
而表面张力是由于液体表面上各个分子受到的这种内部分子的拉力，使得液体呈现出一个能够抵抗外界力量的现象。
液体表面的张力越大，就会使得气泡形成和维持的难度更大。
第二，气泡膜的稳定性。
气泡膜是由于液体分子之间的吸引力和液体表面张力的合力所形成的，它是一个非常薄的、且膜状的液体结构。
当气泡形成时，液体分子扩展到气体环境中，形成一个类似于球壳的结构，表面积最小的状态。
而气泡膜的稳定性与气泡膜的厚度和分子间相互作用力有关。
当气泡膜的厚度足够薄时，分子间的相互作用力便足以维持气泡膜的稳定，从而使得气泡能够长时间存在。
第三，气泡内压力的平衡。
气泡是由于气体的存在而形成的，气泡内存在着一定的压力。
气泡形成初期，气泡内的压力比外部大，使得气泡能够持续存在。
但随着时间的推移，气泡内外的压力逐渐趋于平衡，最终导致气泡破裂。
由此可见，气泡内外压力的平衡也是影响气泡持续存在的一个重要因素。
在吹泡泡的过程中，首先需要将泡泡液倒入吹泡泡器中，泡泡液是由含有表面活性剂的水溶液组成的，它能够降低液体的表面张力，从而使得气泡形成更为容易。
当将泡泡液吹出时，我们所做的其实是通过吹气的方式，向气泡内注入空气，使得气泡内外的压力产生差异。
当气泡内外的压力差异较大时，气泡就能够存在较长时间，因为压力差异足以抵抗外界的扰动。
而当压力差异趋于平衡时，气泡膜就会变得脆弱，容易破裂。
此外，气泡膜的稳定性也会影响气泡的存活时间。
如果气泡膜的厚度足够薄，且分子间相互作用力足够强大，那么气泡膜就能够更稳定地存在。
除了以上的因素之外，吹泡泡时的其他因素也能够影响气泡的存活时间。
表面张力与压力的关系
表面张力与压力的关系
压力和表面张力没有关系。
凡作用于液体表面,使液体表面积缩小的力,称为液体表面张力。
它产生的原因是
液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力。
就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。
正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如。
分子量大表面张力大；
水溶液：如果含有无机盐，表面张力比水大；含有有机物，
表面张力比水小。
外因：温度升高表面张力减小；
凡作用于液体表面,使液体表面积缩小的力,称为液体表面张力。
它产生的原因是
液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力。
就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。
正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如。
上述定义可以看出，分子所受合力不等于零且指向液体内部，但是这个合力是这个分子跟左右两个分子相互作用的引力，反别指向圆面的向左下和向右下，才会有指向圆心的合力，这个引力就是表面张力，与这个液体圆面相切，也就是和液面平行。
液体的表面张力与内压力
此外,式(8)计算是在气相密度远低于液相密度,以致 前者相比于后者可以忽略的情况下得到的,这就是说, 表1计算结果仅适用于气液两相远离临界状态的情况。
欢迎老师同学们批评指正！
表面层中的分子正是由于受到内压力的作用,使它们 产生一种避离表面的倾向。于是,在可能的情况下,液 体将尽可能地缩小其表面积。这种倾向犹如表面有一 层绷紧的薄膜,使其受到一种收缩张力的作用,表面上 单位长度的收缩张力便称为表面张力或界面张力。
表面张力与内压力是两个不同概念的力。 前者作用于表面,力的作用方向与表面相切,其作用 是使表面尽可能缩小; 而后者则源于分子间作用力的合力,其作用方向垂直 于表面且指向液体的体相。 这两种力密切相关,实为因果关系。
应该指出,式(8)仅适用于非极性或弱极性液体。这是因为上 述推导认为,液体的表面自由能是由反抗液体分子间的内聚力 做功所致,如果将液体分成两半,与环境没有热量交换,则液体 的表面自由能完全是由内聚能转变而来,即: （9） -U为液体的内聚能 由于非极性或弱极性液体分子间的作用力主要是vanrWaals 引力,其内压力可由a/V2表示,故有: （10） 将式(10)代入式(9)即得式(7),其中V=Al。 这就是说,将图2所示柱状液体拉开至分子间的有效作用距离 l,就相当于将体积为A×l的柱状液体的内聚能转变成了液体的 表面自由能,而这种液体则是非极性或弱极性的。
由此可见,表面张力与内压力的关系是很简单的,它不仅说明了纵 向作用的内压力与表面上横向作用的表面张力成正比,而且还能说明 图1所示的力学类比。图3是该说明的示意图。
体积为V的液体从 体相反抗内压力 移至表面时需做 的可逆功
是将液体拉开而 分成两半需做的 可逆功,即上面所 述的内聚功W
所以有
水 表面张力
水表面张力水表面张力（SurfaceTension）是水中分子之间互相作用的结果，是一种力，它使水溶质分子形成液体表面的张力，使表面有某种不可抗拒的现象，因此被称为水表面张力。
它是液体内力的最重要的部分，它使液体表面看起来很平整，像一块做成的玻璃。
水表面张力是一种强大的力，它可以使物体悬浮在水表面上，而不会立即沉没下去。
这是由于水表面张力使水分子彼此吸引，所以悬浮物体会受到张力的支撑，不会立刻沉没到水底。
科学家在他们的实验中发现，当数据的重量超过一定的限度，水表面张力不足以支持悬浮物体，物体就会沉下去。
它也可以让液体的一小部分向上攀爬，形成一个液珠，这是由于水分子的张力使它们向液珠的最高点偏向，液珠可以悬挂在柱子或线上，不会滴下来。
水表面张力也可以影响温度。
研究表明，水表面张力会减少水的热导率，也就是水在表面上受热的能力不如在它内部受热的能力。
所以水的内部温度比水表面的温度高得多，有助于温度的平衡。
水表面张力也可以影响液体的电性质。
它可以影响电荷的分布，从而影响液体的pH值。
液体表面张力增加时，电荷分布会不均匀，从而使pH值发生变化。
另外，水表面张力也可以影响流体的流动性。
当水表面张力增大时，流速变慢，流量变小。
这是因为水表面张力可以抵消水流之间的摩擦，减小水的流动粘度，使流体流动减慢。
最后，水表面张力也可以影响液体的毛细管反应和表面活性剂的作用。
液体毛细管是一种微小的通道，可以用来输送小分子，由于水表面张力的存在，毛细管反应受到了影响，也会影响表面活性剂的作用，如洗涤剂和抗菌剂的作用也会受到影响。
总之，水表面张力是一种微小而又重要的力量。
它的作用主要体现在物体悬浮、液体温度、电荷分布、流体流动性以及液体毛细管反应和表面活性剂的作用上。
它的作用可以被用来研究许多物理、化学以及生化过程，也可以应用于日常生活中。
因此，水表面张力为人类的生活和科学研究提供了很多方便。
液体的表面张力与内压力
表面张力是液体表面产生ຫໍສະໝຸດ 一种特殊力，导致液体呈现出紧致的表面状态。 这种现象可以通过浸入液体中放入的小颗粒迅速浮起来来观察到。
表面张力的定义
表面张力是指液体分子之间由于静电作用产生的一种力量，导致液体表面呈 现出紧致的状态。
表面张力的成因
表面张力是由于液体表面上的分子受到内部分子吸引力而受到净吸引力的压制，所以液体呈现出紧致的现象。
内压力与液体的性质密切相关，较大的内压力常常使液体具有较高的粘稠度和较大的密度。
表面张力使得液体分子在表面聚集，形成一层紧密排列的分子层，从而影响液体的性质。
2 液体的蒸发
表面张力对液体的蒸发也有一定的影响，较大的表面张力会导致液体分子在表面更紧密 地排列，从而减缓液体的蒸发速度。
内压力的定义
内压力是液体分子由于间隙受到的压力，即液体分子间的互相作用力。
内压力与液体性质的关系
表面张力的测量方法
浮力法
利用液滴在浸入液体中浮起来的现象来测量表 面张力。
滴下法
通过计算液滴滴下的速度来测量表面张力。
表面张力与液滴形状的关系
表面张力决定了液滴的形状。较小的表面张力会使液滴呈现出更为扁平的形 状，而较大的表面张力则会使液滴呈现出更为圆滑的形状。
表面张力对液体的影响
1 液体的聚集
液体表面张力
液体表面张力Ⅰ定义凡作用于液体表面，使液体表面积缩小的力，称为液体表面张力。
它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。
就象你要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势；也像有无数张手紧紧握在一起似的。
正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如。
Ⅱ影响因素内因:无机液体的表面张力比有机液体的表面张力大的多;水的表面张力72.8mN/m(20℃);有机液体的表面张力都小于水;含氮、氧等元素的有机液体的表面张力较大;含F、Si的液体表面张力最小;分子量大表面张力大;水溶液:如果含有无机盐，表面张力比水大;含有有机物，表面张力比水小。
外因:温度升高表面张力减小;压力和表面张力没有关系。
注:液体(0度以上时)表面张力最弱的是酒精。
Ⅲ测定方法液体表面张力的测定方法分静力学法和动力学法。
静力学法有毛细管上升法、du Noüy 环法、Wilhelmy 盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法;动力学法有震荡射流法、毛细管波法。
其中毛细管上升法和最大气泡压力法不能用来测液- 液界面张力。
Wilhelmy 盘法, 最大气泡压力法, 震荡射流法, 毛细管波法可以用来测定动态表面张力。
由于动力学法本身较复杂, 测试精度不高, 而先前的数据采集与处理手段都不够先进, 致使此类测定方法成功应用的实例很少。
因此, 迄今为止, 实际生产中多采用静力学测定方法。
1.毛细管上升法测定原理:将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。
此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体向下的力相等。
则表面张力 :γ=ρghr/(2cosθ)式中γ为表面张力, r 为毛细管的半径, h 为毛细管中液面上升的高度, ρ为测量液体的密度, g 为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。
液体的表面张力与内压力
探索液体表面张力和内压力的奇妙世界。从定义和计算公式到实际应用，以 及与界面现象、浮力和内压力的关系，一起来揭开液体内部的秘密。
什么是液体的表面张力？
液体表面张力是指液体表面上分子间的相互作用力导致表面呈现出弹性的现象。它使得液体表面具有一 定的张力，导致液体呈现特定的形态。
表面张力的定义与计算公式
表面张力用γ表示，由液体表面单位长度所受合力引起。它可以使用公式γ = F/L计算，其中F是作用在液体表面上的力，L是表面的长度。
表面张力测量的方法
探究几种常用的表面张力测量方法，如附着法、测量液体升降高度法和测量 破裂液滴法，以及它们在科学研究和工程应用中的意义。
表面张力的影响因素
• 分子间吸引力和斥力 • 温度 • 表面形态和几何形状 • 添加剂和杂质 • 电荷和电场
液体的表面张力与界面现象
了解液体与其他物质之间的界面作用和界面现象，如液滴、泡沫、液体薄膜 和液体的粘附现象。探索它们的形成和表面张力的角色。
液滴的形成与大小与表面张力的关系
1
液滴形成
识别液滴形成的条件和过程，从原理
液滴大小
2
层面解释液滴形成与表面张力的关系。
Hale Waihona Puke 揭开液滴大小与表面张力之间的相关
性，探究影响液滴大小的因素和应用
领域。
3
液体与油滴的表面张力比较
对比水滴和油滴的表面张力特性，以 及对生物和化学环境的影响。
表面张力与浮力的关系
解释表面张力和浮力之间的关系，探索为什么轻的物体可以浮在液体表面。更深入地了解液体表面的张 力如何与物体的形状和密度相互作用。
第三章 第4节 液体的表面张力
第4节液体的表面张力一、液体的微观结构1．分子距离：液体不易被压缩，表明液体分子之间的距离很小。
2．液体具有流动性：液体不像固体那样具有一定的形状，而且液体能够流动。
3．分子力：液体分子间的作用力比固体分子间的作用力要小。
二、液体的表面张力1．概念：液体的表面就像紧绷着的橡皮膜，它有着一种收缩的趋势。
液体表面存在的这种收缩力叫做表面张力。
2．特点：使液体的表面积趋向最小。
3．成因：在液体的表面层分子间距较大，分子间表现为引力。
[特别提醒]液体的宏观特性及现象都是由分子的微观结构决定的，因此，在解决有关液体问题时，要从分子的微观结构特点着手分析。
1．判断：(1)荷叶上的小水滴呈球形，这是表面张力使液面扩张的结果。
()(2)液体表面张力形成的原因是液体表面层的分子分布比内部密集。
()(3)表面层中分子力表现为引力。
()答案：(1)×(2)×(3)√2．思考：分析小液珠均为球型的原因。
提示：液体的表面张力有使液体表面积收缩到最小的趋势，而在体积相同的情况下，球的表面积最小，故均为球形。
1.规则的排列，这种区域是暂时形成的，边界和大小随时改变，有时瓦解，有时又重新形成。
液体由大量的这种暂时形成的小区域构成，这种小区域杂乱无章地分布着，因而液体表现出各向同性。
2．液体具有一定的体积：液体分子的排列更接近于固体，液体中的分子密集在一起，相互作用力大，主要表现为在平衡位置附近做微小的振动，所以液体具有一定的体积，不容易被压缩。
3．液体分子间的距离小，相互作用力很大，液体分子的热运动与固体类似，主要表现为在平衡位置附近做微小的振动。
但液体分子没有长期固定的平衡位置，在一个平衡位置附近振动一小段时间以后，又转移到另一个平衡位置附近去振动，即液体分子可以在液体中移动，没有一定的形状，这就是液体具有流动性的原因。
液体中的扩散现象是由液体分子运动产生的。
分子在液体里的移动比在固体中容易得多，所以液体的扩散要比固体的扩散快。
液体表面张力的微观解释
液体表面张力的微观解释
液体表面张力是指液体表面与空气或其他介质的接触处，由于分子间相互作用力的存在而产生的一种内聚力。
在液体内部，分子间的作用力可以平衡，但在表面上，由于没有分子上方的相互作用力，分子被拉向液体内部形成较小的表面区域，从而导致表面张力的出现。
表面张力越大，分子间的相互作用力就越强，表面越难以被破坏。
液体内部分子的作用力是由分子间的吸引力和斥力共同作用而产生的。
在表面上，由于没有分子上方的相互作用力，分子被拉向液体内部形成一个凸起的表面。
为了将表面压平，分子间需要发生相互作用，这种作用力称为表面张力。
表面张力大小与分子间作用力有关，通常会随着分子间的作用力增大而增大。
液体的表面张力对生活中许多现象有着重要影响。
例如，水滴可以在某些物体表面上形成球形结构，这是因为表面张力将水分子拉成球状，从而减少液体与固体表面的接触面积而使表面能量最小化。
此外，水在细小孔隙中会上升，这种现象称为毛细作用，也是由于液体表面张力的作用。
因此，液体表面张力在自然界和工业产业中起着重要的作用，有着广泛的应用价值。
液体表面张力系数的测定
实验原理液体表面层内分子相互作用的结果使得液体表面自然收缩，犹如紧张的弹性薄膜。
由于液面收缩而产生的沿着切线方向的力称为表面张力。
设想在液面上作长为L 的线段，线段两侧液面便有张力f 相互作用，其方向与L 垂直，大小与线段长度L 成正比。
即有：f ＝L （1）比例系数称为液体表面张力系数，其单位为Ｎm -1。
将一表面洁净的长为Ｌ、宽为d 的矩形金属片（或金属丝）竖直浸入水中，然后慢慢提起一张水膜，当金属片将要脱离液面，即拉起的水膜刚好要破裂时，则有F ＝ mg ＋f （2）式中Ｆ为把金属片拉出液面时所用的力；mg 为金属片和带起的水膜的总重量；f 为表面张力。
此时，f 与接触面的周围边界2（L ＋ d ）,代入（2）式中可得本实验用金属圆环代替金属片，则有αα式中d 1、d 2 分别为圆环的内外直径。
实验表明，与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关，液体温度越高，值越小，液体含杂质越多，值越小，只要上述条件保持一定，则是一个常数，所以测量时要记下当时的温度和所用液体的种类及纯度。
实验仪器焦利秤，砝码，烧杯，温度计，镊子，蒸馏水，游标卡尺等。
焦利秤的主要结构如图所示：1 弹簧，2 配重圆柱体，3 小指针，4 游标尺，5 砝码托盘，6 载物平台，7 调节平台高度的小螺钉，8 调节平台高度的微调旋钮，9水平调节螺丝，10 调节游标高度的微调旋钮，11 调节游标高度的小螺钉，12 小镜子， 13 主尺。
ααααα仪器的实物图调平底盘，将仪器依次挂好；调底盘高度和游标高度，使指针位于游标中心“0”刻度测表面张力实验内容1．安装好仪器，挂好弹簧，调节底板的三个水平调节螺丝，使焦利秤立柱竖直。
在主尺顶部挂入吊钩再安装弹簧和配重圆柱体，使小指针被夹在两个配重圆柱中间，配重圆柱体下端通过吊钩钩住砝码托盘。
调整小游标的高度使小游标左侧的基准线大致对准指针，锁紧固定小游标的锁紧螺钉，然后调节微调螺丝使指针与镜子框边的刻线重合，当镜子边框上刻线、指针和指针的像重合时（即称为“三线对齐”），读出游标０线对应刻度的数值Ｌ0。
液体的表面张力
植物生长: 毛细现象对植物生长也具有很重要的意义, 它们所需要的养分和水分就是由根、叶子和茎 中的小管从土壤中吸上来, 输送到绿叶里的。 另外, 土壤中有很多毛细管, 地下的水分沿 着这些毛细管上升到地面蒸发掉．如果要保存 地下的水分来供植物吸收, 就应当锄松表面的土 壤, 切断这些毛细管, 减少水分的蒸发．所以农 民常在雨后给庄稼松土, 来保持水分。
（二）毛细现象 1.实验 （1）实验过程 （2）实验结果: 浸润液体在细管里上升, 不 浸润液体在管里下降。
2.毛细现象的原理
液体为什么能在毛细管内上升或下降呢? 我们已经知道,液体表面类似张紧的橡皮 膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势.因此 凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面 的液体施以压力。 浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它 对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升, 当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时, 管内的液体停止上升，达到平衡.同样的分析 也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象。
导入
实验：请一同学滴几滴水在玻璃板上，观察 并描述水的形态
露珠
思考：为什么小液滴和小气泡总是成球 状而不是其它几何形状（如正方 体，多角形等）？
水滴
液体的表面张力
内部：分子与分子之间紧挨，稍 远即吸引，稍近即排斥，基本处于平衡 液体表面：分子较为稀薄，分子间距 大，分子间吸引力大于斥力
课堂寄语
神奇的液体表面张力性质，我们只是了 解了它很小的一部分，它的大小怎么计算， 用什么方法来测定？它的单位又是什么？ 它的方向又是怎样来判断？也许你身边就 有好多表面张力的现象，你发现了吗？ 你身边的微小但显而易见的现象，也许 就蕴含着神奇而奥秘的科学，这些都有待 于我们去发掘，去探索！
3.生活中的毛细现象
水的表面张力
水的表面张力1. 什么是表面张力表面张力是液体表面因为内聚力的作用而产生的一种现象，液体表面处的分子受到向下的引力，无法与空气中的分子相互吸引，因此呈现出一种类似薄膜的状态。
水的表面张力很高，这也是水滴在水平面上能形成球状的原因。
2. 表面张力的原因水的表面张力是由于水分子之间的相互作用而产生的。
在水中，水分子之间存在着一种特殊的相互作用力，即氢键。
氢键是由一个氢原子与一个氧原子或者另一个氢原子的非共价键形成的。
水的氢键结构使得水分子倾向于最小化表面积，因此液体水表面的水分子会向内聚集，产生一个类似弹性薄膜的状态。
这种内聚力使得水的表面能够支持一定的物体，如水虫在水面上行走。
3. 测定表面张力的方法测定液体的表面张力可以通过几种常见的方法：3.1. 静态法静态法是通过测量液体表面膜对外界拉力加上重力的平衡状态来测定液体表面张力的一种方法。
使用这种方法需要一根被称为“测维”的物体，在水面上放置一个测维，当测维与液体表面接触时，会产生一个力矩。
力矩的大小可以通过调节测维的倾斜角来测量。
根据力矩的平衡条件，可以计算出液体的表面张力。
3.2. 动态法动态法是通过测量液体表面膜在外加外力作用下被拉伸或压缩的程度来测定液体表面张力的一种方法。
常见的动态法有吸管法和泡沫法。
吸管法是将吸管放入液体中，用手指捏住吸管口，将吸管从液体中拔出，形成液体柱。
根据液体柱的升高度，可以计算出液体的表面张力。
泡沫法是用泡沫作为液体表面张力的测量指标，根据泡沫的稳定度来计算液体的表面张力。
3.3. 飞溅法飞溅法是通过测量液滴飞溅时所需的能量来测定液体表面张力的一种方法。
飞溅法可以通过使用飞机模型，在飞机模型的尾部安装一个容器，将液体填充到容器中。
当飞机模型起飞时，液体会被抛出，测量所需的动能即可计算出液体的表面张力。
4. 应用领域水的表面张力在许多领域都有广泛的应用。
4.1. 生物学在生物学中，水的表面张力是微生物在水中游动的重要力量。
因虹吸产生的真空现象
因虹吸产生的真空现象因虹吸产生的真空现象是一种常见的物理现象，它在日常生活中有着广泛的应用。
虹吸现象是指在液体中存在一定高度差的情况下，通过一根管子将液体从高处引到低处的过程。
在这个过程中，管子内部会产生真空，从而使液体被吸引到管子内部。
虹吸现象的原理是液体的表面张力和大气压力的作用。
当管子内部的液体被吸走时，管子内部会形成一个真空区域。
由于液体的表面张力，液体会在管子内部形成一个凸面，从而形成一个液体柱。
液体柱的高度取决于液体的密度和管子内部的压力差。
当液体柱的高度超过一定值时，液体就会被吸引到管子内部。
虹吸现象在日常生活中有着广泛的应用。
例如，在家庭中，我们可以利用虹吸现象将水从一个桶中引到另一个桶中，从而方便地进行水的运输。
在工业生产中，虹吸现象也被广泛应用于液体的输送和处理。
例如，在石油化工行业中，虹吸现象被用于将原油从一个储罐中引到另一个储罐中，从而方便地进行储存和加工。
虹吸现象也有一些限制和注意事项。
首先，虹吸现象只适用于液体的输送，对于气体的输送并不适用。
其次，虹吸现象的高度差有一定的限制，一般不超过10米。
此外，在虹吸过程中，管子内部的压力差会不断增大，当压力差超过一定值时，管子内部的液体会发生汽化，从而影响虹吸效果。
总之，虹吸现象是一种常见的物理现象，它在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。
虹吸现象的原理是液体的表面张力和大气压力的作用，虹吸现象的应用有一定的限制和注意事项。
对于虹吸现象的深入研究和应用，有助于提高我们的生产效率和生活质量。
液体的表面张力
§ 3. 4液体的表面张力3. 4. 1、表面张力和表面张力系数液体下厚度为分子作用半径的一层液体，叫做液体的表面层。
表面层内的分 子，一方面受到液体内部分子的作用，另一方面受到气体分子的作用，由于这两 个作用力的不同，使液体表面层的分子分布比液体内部的分子分布稀疏， 分子的 平均间距较大，所以表面层内液体分子的作用力主要表现为引力， 正是分子间的 这种引力作用，使表面层具有收缩的趋势液体表面的各部分相互吸引的力称为表面张力，表面张力的方向与液面相 切，作用在任何一部分液面上的表面张力总是与这部分液面的分界线垂直。
表面张力的大小与所研究液面和其他部分的分界线长度 成\ - L式中匚称为表面张力系数，在国际单位制中，其单位是 N/m,表面张力系数二的数值与液体的种类和温度有关。
3. 4. 2表面能我们再从能量角度研究张力现象，由于液面有自动收 缩的趋势，所以增大液体表面积需要克服表面张力做功，由图 设想使AB 边向右移动距离△ X ,则此过程中外界克服表面张力所做的功为W = F 外匚x = 2 t-x = ；丁 2AB=x 一 S式中△ S 表示AB 边移动△ x 时液膜的两个表面所增加的总面积。
若去掉外力, AB 边会向左运动，消耗表面自由能而转化为机械能，所以表面自由能相当于势 能，凡势能都有减小的趋势，而 E ：：S ，所以液体表面具有收缩的趋势，例如体L 成正比，因此可写图 3-4-13-4-1可以看出,DA_4T 2 二T 3 二T =1.67 10 N,T i =0T 厂—0 一R 2 =B 中也滴入杂质后，线3松弛即T3 ，形成圆产半径2二cm,仿上面解法得 T^T^0.6aR^2 10 4 N 。
3. 4. 3、表面张力产生的附加压强表面张力的存在，造成弯曲液面的内、外的压强差，称为附加压强，其中最 简单的就是球形液面的附加压强，如图3-4-4所示，在半径为R 的球形液滴上任 取一球冠小液块来分析（小液块与空气的分界面的面积是 S ，底面积是S ,底面 上的A 点极靠近球面），此球冠形小液体的受力情况为：在S 面上处处受与球面垂直的大气压力作用， 由对称性易知，大气压的合力方向垂直于S 面，大小可表示为 F - P o S 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
有些专著用下图所示的力学类比来形象地表示两者
间的关系犹如用滑轮举起重物,举重所做的功即为水
平方向拉力所做的功,意即扩大扩液大体液表体面表面积所增大的 表面自由能等于液体从体相反抗积内所增压大力的移表至表面需做
之功。
面自由能
液体从体相反 抗内压力移至 表面需做之功
设想有一柱状液体,将它拉开分成两半。若液体的横 截面积为内A聚,功则不难得到拉开时需做之功为:
一．背景简介 二．表面张力与内压力简介 三．两种力的定量关系 四．液体表面层厚度 五．讨论
在涉及液体的表面张力是怎样产生的问题时,有些专 著和物理化学教科书是将表面张力与液体的内压力相 联系阐明两者的区别以及它们之间的密切关系。这对 理解液体表面张力的来源有重要的意义。这里试图进 一步从定量角度来阐明这个问题,并从中引出有价值 的信息。
的可逆功
是将液体拉开而 分成两半需做的 可逆功,即上面所
述的内聚功W
所以有
(6)
于是，有
（7）
式(7)实际上就是式(5)。
这就是说,将体积为V的液体从体相反抗内压力
移至表面需做的可逆功与将液体分成两半需做
的可逆功等价,都等于表面自由能2σA。
所谓表面层厚度,是指液体中分子受力不对称区的厚 度。不难明白,这个厚度正好等于液体分子间的有效 作用距离l。因为任何与液面的距离小于l的液体分子 都有可能与气相分子发生作用,从而使它失去作用力 的对称性。 现若用δ表示液体表面层的厚度,则因δ=l,式(5)也 可表示为:
表面层中的分子正是由于受到内压力的作用,使它们 产生一种避离表面的倾向。于是,在可能的情况下,液 体将尽可能地缩小其表面积。这种倾向犹如表面有一 层绷紧的薄膜,使其受到一种收缩张力的作用,表面上 单位长度的收缩张力便称为表面张力或界面张力。
表面张力与内压力是两个不同概念的力。 前者作用于表面,力的作用方向与表面相切,其作用 是使表面尽可能缩小; 而后者则源于分子间作用力的合力,其作用方向垂直 于表面且指向液体的体相。 这两种力密切相关,实为因果关系。
已知热力学能随分子间距的变化率即为液体分子间的作用合力
F,故将式(4)代入式(3)可得:
(5)
式中
是内压力的热力学定义
由此可见,表面张力与内压力的关系是很简单的,它不仅说明了纵 向作用的内压力与表面上横向作用的表面张力成正比,而且还能说明 图1所示的力学类比。图3是该说明的示意图。
体积为V的液体从 体相反抗内压力 移至表面时需做
(8) 式(8)提供了一个估算难以测定的液体表面层厚度的 简便方法,因为液体的表面张力和内压力都可用实验 精确地测定。
应该指出,式(8)仅适用于非极性或弱极性液体。这是因为上 述推导认为,液体的表面自由能是由反抗液体分子间的内聚力 做功所致,如果将液体分成两半,与环境没有热量交换,则液体 的表面自由能完全是由内聚能转变而来,即:
（1） σ为液体的表面张力。 等式右边乘2是因为拉开后形成了两个新的气/液表面。
假定分子间的作用为合在力恒为温F时,分,保子持间柱的状有液效体作的用距离为l,则内
聚功也可表示为: 截面积A不变的条件下,膨胀dr
距离所引起的热力学能的增
(3)
按照热力学定义,柱状液体的内压力可表示为: (4)
（9） -U为液体的内聚能 由于非极性或弱极性液体分子间的作用力主要是vanrWaals 引力,其内压力可由a/V2表示,故有:
（10）
将式(10)代入式(9)即得式(7),其中V=Al。 这就是说,将图2所示柱状液体拉开至分子间的有效作用距离 l,就相当于将体积为A×l的柱状液体的内聚能转变成了液体的 表面自由能,而这种液体则是非极性或弱极性的。
若有一纯物质液体与其气相共存,不难理解,液体体 相中的分子与表面层分子的受力状况是不相同的。体 相中的分子受周围分子的作用力是各向均等的,分子 犹如在一个均匀的力场中自由地运动;而表面层中的 分子受周围分子的作用则是各向不均等的。由于通常 气相的密度远低于液相,致使表面层分子的受力是不 对称的,它们会受到垂直于表面且方向指向液体体相 的合力的作用,这个合力来自液体分子间的作用,单位 面积的这个作用力便称为内压力。
此外,式(8)计算是在气相密度远低于液相密度,以致 前者相比于后者可以忽略的情况下得到的,这就是说, 表1计算结果仅适用于气液两相远离临界状态的情况。
欢迎老师同学们批评指正！