第3章(2) 液体的表面层性质讲解
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第三章液体的表面性质
例 在水下深度为 30cm 处有一直径d = 0.02mm的空气泡。设水 面压强为大气压 P0= 1.013×105Pa, ρ水= 1.0×103kg· -3, m α水= 72×10-3 N· m-1。 P0 求 气泡内空气的压强。
解
P P0 P Ps
h
2 72 103 1.013 10 1.0 10 9.8 0.3 0.01103
W S n4r
2 其中
3
n
V
3V 3 20 10 W 600 J 2 r 0.110
4 2 r 3
表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称 性引起的。
从能量的角度来解释表面张力存在的原因。
A
分别以液体表面层分子A 和内 部分子B为球心、分子有效作用距 离为半径作球（分子作用球）。 对于液体内部分子 B ，分子作用球内 液体分子的分布是对称的； 从统计上讲，其受力情况也是对称的， 所以沿各个方向运动的可能性相等。
W S
油的质量 m 不变，则
S 4 ( Nr 2 R 2 )
3m N 4r 3
3m R 4
可得：
4 3 m N r 3 4 3 m R 3 2 W 6.0 10 J
13
【练习】吹成一个直径为10cm的肥皂泡，
空气 20 22.3
空气 20 25.2
空气 37 40--50
3、表面张力系数的测定 拉脱法 拉脱法测量液体表面张力系数的实验仪器——焦利秤。 水膜的对金属框的作用力为
f L
当拉起的水膜处于即将破裂的状 态时，两个表面近似在竖直平面内， 此时用焦利秤对金属框的作用力：
F mg 2 f mg 2L
大学物理 液体的表面性质
第四节
液 体 的 表 面 性 质
返回
教学要求：
1. 重点掌握液体的表面张力、弯曲液面的附加 压强以及毛细现象;
2. 确切理解表面能及润湿和不润湿现象;
3. 了解分子力及气体栓塞现象.
返回
案例5-3 不知大家注意过没有，如果不小心将书本 的边缘被水浸湿，书本会两页两页地粘在 一起，十分有规律。我们可以从这个现象 中看出液体的一些性质。 问题： 书页为什么会产生这种现象呢？
返回
p
p
p p 液柱不动
p
p左 p右
p
当 p p 时
p p
液柱开始移动
返回
p 3
p 2
p
p
Δp＞nδ液柱开始移动
返回
1.静脉注射或肌肉注射时，要将针管中的气体 完全排除掉才能注射。 2.当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的 气体因为溶解度下降而析出而形成气泡。
返回
探索海兽不患潜水病的秘密
海豚以各种鱼类为食，它可下潜到 100～300米的深度， 人们观察发现，斑海豹在潜水时，有时是呼气后 时间可达 4～5分钟。抹香鲸有食深海大王乌贼的习性，所 潜水，有时又是吸气后潜水，这说明海豹在下潜中， 以每当它发现爱吃的猎物，总是穷追不舍，最深能下潜到 肺内的储氧并不是主要的，而是通过血液来进行的。 千米水深。为了潜水的需要，海兽下潜时体内必须储备所 因此，海兽的血液是它的“氧气仓库”。海兽除血液 需的氧。这样海兽的体内储氧能力要比陆生兽类大得多。
返回
1.使液体表面张力系数减小的途径是
或
。
（升温、掺入表面活性物质）
2. 已知某液体表面张力系数 为 ，则恰好能把一个半径 为R 的细金属圆环从液体中 拉出需用力为 。
液 体 的 表 面 性 质
返回
教学要求：
1. 重点掌握液体的表面张力、弯曲液面的附加 压强以及毛细现象;
2. 确切理解表面能及润湿和不润湿现象;
3. 了解分子力及气体栓塞现象.
返回
案例5-3 不知大家注意过没有，如果不小心将书本 的边缘被水浸湿，书本会两页两页地粘在 一起，十分有规律。我们可以从这个现象 中看出液体的一些性质。 问题： 书页为什么会产生这种现象呢？
返回
p
p
p p 液柱不动
p
p左 p右
p
当 p p 时
p p
液柱开始移动
返回
p 3
p 2
p
p
Δp＞nδ液柱开始移动
返回
1.静脉注射或肌肉注射时，要将针管中的气体 完全排除掉才能注射。 2.当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的 气体因为溶解度下降而析出而形成气泡。
返回
探索海兽不患潜水病的秘密
海豚以各种鱼类为食，它可下潜到 100～300米的深度， 人们观察发现，斑海豹在潜水时，有时是呼气后 时间可达 4～5分钟。抹香鲸有食深海大王乌贼的习性，所 潜水，有时又是吸气后潜水，这说明海豹在下潜中， 以每当它发现爱吃的猎物，总是穷追不舍，最深能下潜到 肺内的储氧并不是主要的，而是通过血液来进行的。 千米水深。为了潜水的需要，海兽下潜时体内必须储备所 因此，海兽的血液是它的“氧气仓库”。海兽除血液 需的氧。这样海兽的体内储氧能力要比陆生兽类大得多。
返回
1.使液体表面张力系数减小的途径是
或
。
（升温、掺入表面活性物质）
2. 已知某液体表面张力系数 为 ，则恰好能把一个半径 为R 的细金属圆环从液体中 拉出需用力为 。
大学物理学习指导 第3章 液体的表面性质
第3章 液体的表面性质3.1 内容提要（一）基本概念1. 表面张力：液体的表面犹如张紧的弹性薄膜，具有收缩的趋势，即液体表面存在着张力，称为表面张力。
它是液体表面层内分子力作用的结果。
2.表面张力系数：用于反映液体表面性质的物理量，三种定义如下：（1）表面张力系数表示在单位长度直线两旁液面的相互拉力。
由L f α=得 Lf =α （3.1） 在国际单位制中，α的单位用N ·m -1表示。
（2）表面张力系数α等于增加单位表面积时，外力所做的功。
由△A=α·△S 得SA ∆∆=α （3.2） （3）表面张力系数α在数值等于增大液体单位表面积所增加的表面能,由△E ＝△A ＝α△S 得 SE ∆∆=α （3.3） 严格说来，表面能是在温度不变的条件下可转变为机械能的那部分表面能。
3.影响表面张力系数的几个因素(1) 不同液体的表面张力系数不同，它与液体的成分有关，取决于液体分子的性质。
(2) 同一种液体的表面张力系数与温度有关。
温度越高，α就越小。
(3) 液体表面张力系数的大小还与相邻物质的化学性质有关。
(4) 液体表面张力系数还与液体中的杂质有关。
加入杂质能显著改变液体的表面张力系数。
4.表面张力的微观本质微观理论认为，液体的表面张力是由于液体表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的。
所谓液体的表面层是指位于液体表面处，与表面平行、厚度等于液体分子有效作用半径(一般不超过6×10-7cm)的那层液体。
从能量的角度出发，分子处于液体表面层时，分子的相互作用热能要比处于液体内部的分子的相互作用热能大，而且越靠近液面，分子的相互作用热能就越大。
而液体处于稳定平衡时，分子的相互作用热能最小，因此，液体表面层中的分子都有挤进液体内部的趋势，结果液体的表面就会尽量地收缩。
从力的观点来看，就是在液体表面内存在一种使其收缩的力，这种力就称为表面张力。
所谓表面张力，无论从力或是从能量的角度来解释，都是表面层内分子相互作用的不对称性所引起的。
液体的表面性质-(2)
R
R
9
接触角 与毛细管内径 r
r
cos
之间的关系为
R
将上式代入
gh 2
R
得到毛细管内液面 上升的高度为
h 2 cos gr
如果液体不润湿毛细管，管内液面要比管外的 液面低 h，用同样的方法可以证明 此时 h 仍然可 由上式表示。
10
例1 如图所示的U形玻璃管，两臂的内直径分别为 1.0 mm和3.0 mm。若水与管壁完全润湿，求两臂 的水面高度差。
解 以pA表示细管内凹状水面下的 压强，以pB表示粗管内凹状水面下 的压强。压强pB应等于细管中与B同 深度的C点的压强pC，设液面上方的 气压为p0，应有p源自 = pC = pA + gh
即
p0
2
rB
p0
2
rA
gh
式中rA和rB分别为细管和粗管的内半径。 11
由上式可以解出两管水面的高度差
框架上所形成的液膜有前、后两个液面，所以 在上式中应有因子2。力 F 的功为
A =Fx =2xL = S
表面能的增加量E应等于外力所作的功A，即
E = A = S
表面张力系数 A E
S S
表面张力系数等于增加单位液体表面积时外力所 作的功，或等于增加单位液体表面积时液体表面能 的增量。
四、毛细现象 (capillarity) 当把管径很细的管子插入液体时，管子内外的液
面会出现高度差，这种现象称为毛细现象。毛细现 象是由表面张力和润湿(或不润湿)现象共同引起的。 如果液体润湿管壁，管内液面较管外高；如果液体 不润湿管壁，管内液面较管外低。
8
在右图中如液体润湿
管壁，管内液面呈现凹
R
9
接触角 与毛细管内径 r
r
cos
之间的关系为
R
将上式代入
gh 2
R
得到毛细管内液面 上升的高度为
h 2 cos gr
如果液体不润湿毛细管，管内液面要比管外的 液面低 h，用同样的方法可以证明 此时 h 仍然可 由上式表示。
10
例1 如图所示的U形玻璃管，两臂的内直径分别为 1.0 mm和3.0 mm。若水与管壁完全润湿，求两臂 的水面高度差。
解 以pA表示细管内凹状水面下的 压强，以pB表示粗管内凹状水面下 的压强。压强pB应等于细管中与B同 深度的C点的压强pC，设液面上方的 气压为p0，应有p源自 = pC = pA + gh
即
p0
2
rB
p0
2
rA
gh
式中rA和rB分别为细管和粗管的内半径。 11
由上式可以解出两管水面的高度差
框架上所形成的液膜有前、后两个液面，所以 在上式中应有因子2。力 F 的功为
A =Fx =2xL = S
表面能的增加量E应等于外力所作的功A，即
E = A = S
表面张力系数 A E
S S
表面张力系数等于增加单位液体表面积时外力所 作的功，或等于增加单位液体表面积时液体表面能 的增量。
四、毛细现象 (capillarity) 当把管径很细的管子插入液体时，管子内外的液
面会出现高度差，这种现象称为毛细现象。毛细现 象是由表面张力和润湿(或不润湿)现象共同引起的。 如果液体润湿管壁，管内液面较管外高；如果液体 不润湿管壁，管内液面较管外低。
8
在右图中如液体润湿
管壁，管内液面呈现凹
3.23物理液体的表面现象
• 气体栓塞是由于气体与液体间的曲面有附加压
强additional pressure而产生的。
39
p
p
P左 P右
液柱不动
p p P左 P右
p
p 液柱不动
P P P左 P右 P P P右 P左 p P P右 P左 液柱不动
p P P右 P左 液柱移动
p 3
思考：液柱下降时，此时液面是凸面还是凹面？
37
h 2 cos rg
• 毛细现象在生命过程以及日常生活中都有 重要的意义。植物的吸收和水分的输送， 人体血液在毛细血管中的流动等过程，毛 细现象都起着重要的作用。
38
气体栓塞air embolism
• 液体在细管中流动时，如果管中出现气泡，液体 的流动将受到阻碍，气泡多时将能发生阻塞，这 种现象称为气体栓塞(air embolism)。
• 能产生毛细现象的管子称为毛细管capillary 。
• 毛细现象capillarity是表面张力现象surface tension 产生的另一个重要效应。
35
毛细现象capillarity的计算
R P0
r
r Rcos
A
h
P0
PS
2
R
2
cos
r
B
C
PA P0 PS
PB PC P0 PA gh
rg
capillarity
48
Origins
• 润湿、不润湿是由分子力决定的。
• 当液体分子间的吸引力（内聚力）小于液体 分子与固体分子间的吸引力（附着力）时，即：
内聚力小于附着力，液体润湿固体；
• 当内聚力大于附着力时，液体不润湿固体。
31
2020年高中物理竞赛-热学A(联赛版)06液体的性质：液体表面的性质(共16张PPT)
dFS dAS SdT 对表面， 记 FS FS ( AS ,T ) AS
dFS
FS AS
dAS T
FS T
AS
dT
dAS
AS
T
dT
S
T
AS
US
AS
T
T
AS
uS
S
T
T
表面内能密度
（二）表面张力系数与温度的关系
因为表面张力与面积无关，仅与状态参量温度等有关，所以表面张
r
W
AS
3m r
30.018(1.0103 ) 1105 900
6.0 10 3 J
（三）弯曲液面内外压强差
拉普拉斯公式
任意弯曲液面内外的压强差都 可以表示为
p
pi
po
1 R1
1 R2
其中R1、R2为过弯曲液面上一 点的两个正截口的曲率半径，
R1 R1
( (
R2 R2
) )
0，当其在液体内时 0，当其在液体外时
所以，表面张力系数随温度升高而减小。
例题：水和油的界面的表面张力系数为0.018N/m，为了使1.0g的油滴在水内散 布成半径为10m的小油滴，若散布过程是等温的，且油的密度为900kg/m3，所 需作的功为多少？
由表面张力的物理起因知，大油滴散布成大量小油滴时，与油滴相邻的水的表面
自由能的增量等于外力所作的功，即有 W F AS
8 r 2
RT0
ln(1
4
) p0r
8r 2
RT0
4
p0r
8 r 2
p0V0
4
p0r
8r 2
4
r
4 r3
3
dFS
FS AS
dAS T
FS T
AS
dT
dAS
AS
T
dT
S
T
AS
US
AS
T
T
AS
uS
S
T
T
表面内能密度
（二）表面张力系数与温度的关系
因为表面张力与面积无关，仅与状态参量温度等有关，所以表面张
r
W
AS
3m r
30.018(1.0103 ) 1105 900
6.0 10 3 J
（三）弯曲液面内外压强差
拉普拉斯公式
任意弯曲液面内外的压强差都 可以表示为
p
pi
po
1 R1
1 R2
其中R1、R2为过弯曲液面上一 点的两个正截口的曲率半径，
R1 R1
( (
R2 R2
) )
0，当其在液体内时 0，当其在液体外时
所以，表面张力系数随温度升高而减小。
例题：水和油的界面的表面张力系数为0.018N/m，为了使1.0g的油滴在水内散 布成半径为10m的小油滴，若散布过程是等温的，且油的密度为900kg/m3，所 需作的功为多少？
由表面张力的物理起因知，大油滴散布成大量小油滴时，与油滴相邻的水的表面
自由能的增量等于外力所作的功，即有 W F AS
8 r 2
RT0
ln(1
4
) p0r
8r 2
RT0
4
p0r
8 r 2
p0V0
4
p0r
8r 2
4
r
4 r3
3
《液体的表面性质》课件
称不润湿。润湿与不润湿取决于液体和固体的性质以及温度等因素。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ03
吸附与解吸
在某些情况下，气体分子会吸附在液体表面上，这种现象称为吸附；当
气体分子离开液体表面时，则称为解吸。吸附和解吸在气体分离、化学
反应等领域有重要应用。
06
总结与展望
总结液体的表面性质及其应用
液体表面张力的定义
表面张力在日常生活中的应用
液体表面张力的大小与液体的微观结构有 关，如分子间的相互作用力和分子排列等 。
对未来研究的展望
探索新型表面活性剂
随着科技的发展，人们正在不断探索新型的表面活性剂，以提高液体 的表面性质，并应用于更多的领域。
表面张力与其他物理现象的关系
进一步研究液体表面张力与其他物理现象之间的关系，如毛细现象、 润湿性等，有助于更深入地理解液体的表面性质。
毛细现象
由于表面张力的作用，当细管中的液体受到外部压力时，液体会沿 着细管上升或下降，形成毛细现象。
液体表面的化学性质
01
表面活性剂的作用
表面活性剂是一种能够显著降低液体表面张力的物质。它在许多领域都
有广泛应用，如洗涤、化妆品、制药等。
02
润湿与不润湿
当液体与固体接触时，如果液体会在固体表面上展开，则称润湿；否则
02
液体表面张力的概念
表面张力定义
表面张力是指液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的 张力。
表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张 力，通俗来讲，它就是液体表面分子相互吸引形成的力。
表面张力的大小与液体的种类、温度、纯度和所接触的介质有关。
液体表面现象的普遍性
大学物理学：液体的表面层性质
浸润和不浸润现象
接触角为锐角时，称为液体浸润固体； 当其为零时，液体完全浸润固体。 接触角为钝角时，称液体不浸润固体； 当其为180度时，称液体完全不浸润固体。
浸润液体形成凹液面
不浸润液体形成凸液面
把浸润液体在细管中上升和不浸润液体
在细管中下降的现象称为毛细现象。发生
毛细现象的细管称为毛细管。
完全浸润毛细管的液体在毛细管中上升 的高度为h，因毛细管的管径很细，将 其插入液体中时，管内的液面可以看作 是半个球面，半径为R，液面分界线的 长度为2πR，对应表面张力为 多少？其 方向如何？
时为止。
附加压强实验
气体栓塞： 当液体在细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的
流动就要受到阻碍，气泡多了就能堵住管子，使液体不能 流动，这种现象称为气体栓塞。
毛细现象
把一块洁净的玻璃浸入水里再取出来，可以看到玻 片的表面带有一层水膜；在洁净的玻璃板上滴一滴 水，水就沿着玻璃表面向外扩展，在玻璃板上形成 一层水膜，这种液体和固体接触面积趋于扩大的现 象称为浸润现象。对玻璃来说，水是浸润液体。
由于表面活性物质在溶液中聚集于极薄的表面层， 所以少量的表面活性物质就可以显著降低溶液的 表面张力系数。反之，表面非活性物质溶于溶剂 后，这些物质将尽可能离开表面层，进入液体内 部，以减少表面能，结果溶液内部溶质的浓度比 表面层大。
表面吸附
表面吸附
表面吸附
表面吸附
由图可以看出，力f1 和f12有使液滴紧缩的趋势；力f2有 使液滴伸展的趋势。当
表面能的计算
E W S
表面张力系数与表面能
外力克服表面张力做功，使原来处于液体内部的分 子进入表面层，导致液膜的表面积增加，并且外力 克服表面张力所做的功等于液体分子增加的势能。 我们把液体表面层分子比液体内部分子所多出的势 能的总和称为表面能。
接触角为锐角时，称为液体浸润固体； 当其为零时，液体完全浸润固体。 接触角为钝角时，称液体不浸润固体； 当其为180度时，称液体完全不浸润固体。
浸润液体形成凹液面
不浸润液体形成凸液面
把浸润液体在细管中上升和不浸润液体
在细管中下降的现象称为毛细现象。发生
毛细现象的细管称为毛细管。
完全浸润毛细管的液体在毛细管中上升 的高度为h，因毛细管的管径很细，将 其插入液体中时，管内的液面可以看作 是半个球面，半径为R，液面分界线的 长度为2πR，对应表面张力为 多少？其 方向如何？
时为止。
附加压强实验
气体栓塞： 当液体在细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的
流动就要受到阻碍，气泡多了就能堵住管子，使液体不能 流动，这种现象称为气体栓塞。
毛细现象
把一块洁净的玻璃浸入水里再取出来，可以看到玻 片的表面带有一层水膜；在洁净的玻璃板上滴一滴 水，水就沿着玻璃表面向外扩展，在玻璃板上形成 一层水膜，这种液体和固体接触面积趋于扩大的现 象称为浸润现象。对玻璃来说，水是浸润液体。
由于表面活性物质在溶液中聚集于极薄的表面层， 所以少量的表面活性物质就可以显著降低溶液的 表面张力系数。反之，表面非活性物质溶于溶剂 后，这些物质将尽可能离开表面层，进入液体内 部，以减少表面能，结果溶液内部溶质的浓度比 表面层大。
表面吸附
表面吸附
表面吸附
表面吸附
由图可以看出，力f1 和f12有使液滴紧缩的趋势；力f2有 使液滴伸展的趋势。当
表面能的计算
E W S
表面张力系数与表面能
外力克服表面张力做功，使原来处于液体内部的分 子进入表面层，导致液膜的表面积增加，并且外力 克服表面张力所做的功等于液体分子增加的势能。 我们把液体表面层分子比液体内部分子所多出的势 能的总和称为表面能。
大学物理液体的表面性质
F1
2r
r R
2r 2
R
PS
F1
r 2
2
R
同理：凹液面的附加压强
PS
2
R
上两式即球形液面的附加压强公式。
二、球形液面的附加压强
球形凸液面内的液体压强：
P
P0
PS
P0
2
R
球形凹液面内的液体压强：
P
P0
PS
P0
2
R
二、球形液面的附加压强
（二）拉普拉斯公式 (Laplace formula)
如果液面不是球面，可以证明，任意弯曲液面的
三、表面张力系数 (Coefficient of surface tension )
由 f L 可得
f
L
表面张力系数的物理意义：代表液体表面张力 大小性质的物理量，数值上等于单位长度线段 两侧液面相互作用的表面张力。
σ的单位：牛顿／米（N／m）。
三、表面张力系数 (Coefficient of surface tension )
实验指出，影响表面张力系数的因素有： （1）与液体的种类相关。
（2）与相邻的介质有关。
（3）与液体的温度有关。温度愈高，液体的 表面张力系数愈小。
（4）与液体的纯度有关。液体中掺入某些物 质能显著地减小表面张力系数的大小，这种 物质称为表面活性物质。
三、表面张力系数
(Coefficient of surface tension )
240页－246页
§1 液体的表面张力
一、表面张力现象 （一）表面张力现象 （二）表面张力 二、表面张力的微观解释 三、表面张力系数 四、表面张力系数的测定
一、表面张力现象
液体的表面层现象
第三节液体的表面层现象液体的性质：液体中分子与分子之间的距离比气体分子之间的距离小得多，它的平均距离r0的数量级约为10-10m,当量分子之间的距离大于r0，而小于10-9m时，也就是说分子间的距离在10-10 m -10-9 m之间时，此时，分子之间的作用力表现为引力，若分子间的距离大于10-9 m，则引力趋于零，所以，我们可以认为液体分子之间的引力作用范围是一个半径不超过10-9m的球，只有球内的分子才对球心的分子由作用力，这个球的半径就称为分子引力作用半径。
而液面下厚度约等于分子引力作用半径的一层液体称为液体的表面层。
表面层处于液体与气体、固体接触，因而产生一系列特殊现象，即：液体表面现象。
首先来看：一、液体的表面张力表面能1.现象掉在桌面的水银会缩成小球状，落在树叶上的露水会形成珠状，在水面上放一枚小硬币，硬币会浮在水的表面。
——相同的体积的物体来说，球的表面积最小◆肥皂膜使软线绷紧的演示：完整的肥皂泡棉线自由分布，刺破后棉线张紧说明：液面像紧绷的橡皮膜具有弹性，液面上存在沿表面的收缩力作用，这种力只存在于液体表面。
2、表面张力（1）表面张力：液体的表面层中有一种使液面尽可能收缩成最小的宏观张力。
(2)表面张力产生的原因①从分子运动论观点说明当分子间距小于分子引力作用半径时，它们之间才有相互作用的引力。
如果我们在液体内部任取一分子A ,以A为球心，以分子有效作用半径R 为半径作一球，称为分子作用球。
这样球外分子对A无作用力，只有球内分子对A 的作用力液体中两个分子A和B受周围分子引力作用的情形。
在液体内部和表面层分别取两个分子A 和B，分子A在液体的内部，分子B在液体的表面层中。
对A分子而言：受到的引力必定是球对称的，合力等于零。
对B分子来说：它处于液面下厚度为R的所谓表面层中,分子B的情形就不同了。
B分子受到两种力的作用：液体和液外气体。
但是由于气体的密度与液体相比是很小的，它们对液体分子的引力作用可以忽略。
液体表面的性质
03 液体表面的化学性质
表面活性剂
01
表面活性剂是一种能够显著降低液体表面张力的物质，通常具 有亲水基团和疏水基团。
02
表面活性剂在液体表面形成分子膜，降低表面张力，使得液体
易于润湿和铺展。
表面活性剂在洗涤、化妆品、制药等领域广泛应用，如肥皂、
03
洗发水、沐浴露等产品中都含有表面活性剂。
表面吸附现象
表面张力
液体表面存在一种使液面尽可能缩小 的力，称为表面张力。表面张力的大 小可以用表面张力系数来衡量。
表面能
由于表面张力的存在，液体表面具有 一定的能量，称为表面能。表面能的 大小与液体的种类、温度和压力等因 素有关。
弯曲液面的内外压力差弯曲来自面内外压力差当液体表面弯曲时，液面内侧受到的 压力大于液面外侧受到的压力，形成 一定的压力差。这个压力差的大小与 液体的种类、温度和弯曲程度等因素 有关。
液体表面的性质
目录
• 液体表面的基本概念 • 液体表面的物理性质 • 液体表面的化学性质 • 液体表面的应用 • 液体表面现象的实验研究方法
01 液体表面的基本概念
液体表面的定义
总结词
液体表面是指液体与气体接触的界面。
详细描述
液体表面是液体与气体之间的分界面，它具有特定的物理和化学性质。在这个 界面上，液体的分子与气体分子相互作用，形成了一种特殊的分子排列。
滴重法
在液面上放置一块固体，测量固体因毛细作用上升的高度，结合已知的液体密度和重力 加速度，计算表面张力。
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生物医学工程
表面张力在生物医学工程中也有 应用，例如在制备生物材料和药 物传递系统方面。
弯曲液面的应用
液体的表面性质
(3)表面张力产生的原因 (3)表面张力产生的原因 ①从分子力和液体微观结构说明 分子作用球molecular sphere of action：在液体内部任取一 分子m’ 为球心， 分子 ,以m’为球心，以分子有效作用半径 为半 为球心 以分子有效作用半径R 径作一球， 球外分子对m’无作 径作一球，称为分子作用球 。球外分子对 无作 用力，球内分子对m’的作用力对称分布，合力为零。 用力，球内分子对 的作用力对称分布，合力为零。
通常意义上的相界面是一个有几个分子直径厚 度的薄层，是两相之间的过渡区。 度的薄层，是两相之间的过渡区。根据形成界面的 物质聚集态可将界面分成气—液 物质聚集态可将界面分成气 液、气—固、液—液、 固 液 固界面。 液—固、固—固界面。 固 固界面 习惯上称一相为气体的相界面为表面 习惯上称一相为气体的相界面为表面 surface），其他称为界面（interface）， ），其他称为界面 ），也可以 （surface），其他称为界面（interface），也可以 统称为表面。 统称为表面。 表面现象（ phenomena） 表面现象（surface phenomena）是自然界随处 可见的现象，其原理广泛应用在化工、环保、采矿、 可见的现象，其原理广泛应用在化工、环保、采矿、 材料、土壤、食品、医药等行业。对于药学专业， 材料、土壤、食品、医药等行业。对于药学专业，从 药物的合成、提取、分离、分析、制剂、 药物的合成、提取、分离、分析、制剂、保存直到药 物在体内的作用、代谢等，都涉及到该问题。 物在体内的作用、代谢等，都涉及到该问题。
抗真菌药， 抗真菌药，临床上主要用 于头癣、严重体股癣、 于头癣、严重体股癣、叠 瓦癣、手足甲癣等， 瓦癣、手足甲癣等，对头 癣的疗效较明显。 癣的疗效较明显。
大学物理液体的表面性质
d l h
gd
d l h
解：（1）分析液面与两 侧平板接触处的受力：
F1 ' F2 ' F1 cos l cos F 2 l cos
F1 ’ F2’ F2 F2” θ
Fs F1 ' F2 '
F1 F1”
GF 即 g hld 2 l cos
ps
垂直
F dF
2 r 0
s
sin dL
sin 2 r 2 2 r R
r sin R
F垂直 ps s
S很小，约为 r
2
22 r 2 来自 RrR2
2 PS （凸正，凹负） R
重点
例题1。 温度为18℃时，一滴水珠内部压 强为外部大气压的两倍。求水珠的半径 5 （大气压强 p0 1.01310 Pa ）。
例题9。将两个平行板插入液体中，由于毛细现象 使两板间的液面上升。 (1)试证明两板间液面上升的高度 h 2 cos ， 其中 为液体的表面张力系数，为液体的密度， θ 为接触角，d为两板间距离。 (2)设两平行板间距离为0.5mm，插入水中，求两板 间水面上升的高度是多少？设接触角是零。
f12
1 Ｂ 2
f21
Ａ
Ｌ
2)若液面是曲面，则 Fs 与这个弯曲液面相切，指 向液面收缩趋势的方向。
F F
表面张力来源的两种解释：
第一种：表面分子所受引力的非球对称性； 第二种：液体稳定时表面具有最小表面能， 使得表面尽可能含有少量的分子，表层面 （厚度为分子引力作用半径）中的分子挤向 会液体里侧，表面收缩，从而产生表面张力；
2、表面张力系数
gd
d l h
解：（1）分析液面与两 侧平板接触处的受力：
F1 ' F2 ' F1 cos l cos F 2 l cos
F1 ’ F2’ F2 F2” θ
Fs F1 ' F2 '
F1 F1”
GF 即 g hld 2 l cos
ps
垂直
F dF
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sin dL
sin 2 r 2 2 r R
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F垂直 ps s
S很小，约为 r
2
22 r 2 来自 RrR2
2 PS （凸正，凹负） R
重点
例题1。 温度为18℃时，一滴水珠内部压 强为外部大气压的两倍。求水珠的半径 5 （大气压强 p0 1.01310 Pa ）。
例题9。将两个平行板插入液体中，由于毛细现象 使两板间的液面上升。 (1)试证明两板间液面上升的高度 h 2 cos ， 其中 为液体的表面张力系数，为液体的密度， θ 为接触角，d为两板间距离。 (2)设两平行板间距离为0.5mm，插入水中，求两板 间水面上升的高度是多少？设接触角是零。
f12
1 Ｂ 2
f21
Ａ
Ｌ
2)若液面是曲面，则 Fs 与这个弯曲液面相切，指 向液面收缩趋势的方向。
F F
表面张力来源的两种解释：
第一种：表面分子所受引力的非球对称性； 第二种：液体稳定时表面具有最小表面能， 使得表面尽可能含有少量的分子，表层面 （厚度为分子引力作用半径）中的分子挤向 会液体里侧，表面收缩，从而产生表面张力；
2、表面张力系数
液体的表面性质-(2)
当附着力大于内聚力这就导致了液体与固体接触处的液面沿固体表面延展即向上弯曲当附着力小于内聚力时附着层中的液体分子所受的合力垂直于固液界面并指向液体因而就导致了液体与固体的接触处的液面沿固体表面收缩即向下弯曲
§6-10 液体的表面性质
一、表面张力 (surface tension) 在液体中，虽然每个分子与最邻近分子之间的斥力
表面能的增加量E应等于外力所作的功A，即
E = A = S
表面张力系数 A E
S S
表面张力系数等于增加单位液体表面积时外力所 作的功，或等于增加单位液体表面积时液体表面能 的增量。
3
对于同一种液体，有些杂质的加入会使表面张力
系数减小或增大。能使表面张力系数减小的杂质， 称为这种液体的表面活性物质。
2 1 1 4 1 1
h ( ) ( )
g rA rB g d A d B
式中dA和dB分别是细管和粗管的内直径。
将常温下水的表面张力系数 = 7310-3 Nm -1、
dA = 1.0mm 和dB = 3.0 mm 代入上式，可求得
h
4 73103 1000 9.8
dF = dL
4
dF 的竖直分量 dF1 和水平分量 dF2 可分别表示为
dF1 dF sin dL sin
dF2 dF cos dL cos
对水平分力dF2 沿周界叠加的结果应互相抵消。 而对于竖直分力dF1 ，因各处的方向相同，沿周界 叠加就可以求得液面S所受竖直方向的合力。其 合力的大小为
D
用表面能来定义表面张力系数。
假如 AB边移动x，到达AB,
则力F 所作的功为 A=Fx
C
A A
§6-10 液体的表面性质
一、表面张力 (surface tension) 在液体中，虽然每个分子与最邻近分子之间的斥力
表面能的增加量E应等于外力所作的功A，即
E = A = S
表面张力系数 A E
S S
表面张力系数等于增加单位液体表面积时外力所 作的功，或等于增加单位液体表面积时液体表面能 的增量。
3
对于同一种液体，有些杂质的加入会使表面张力
系数减小或增大。能使表面张力系数减小的杂质， 称为这种液体的表面活性物质。
2 1 1 4 1 1
h ( ) ( )
g rA rB g d A d B
式中dA和dB分别是细管和粗管的内直径。
将常温下水的表面张力系数 = 7310-3 Nm -1、
dA = 1.0mm 和dB = 3.0 mm 代入上式，可求得
h
4 73103 1000 9.8
dF = dL
4
dF 的竖直分量 dF1 和水平分量 dF2 可分别表示为
dF1 dF sin dL sin
dF2 dF cos dL cos
对水平分力dF2 沿周界叠加的结果应互相抵消。 而对于竖直分力dF1 ，因各处的方向相同，沿周界 叠加就可以求得液面S所受竖直方向的合力。其 合力的大小为
D
用表面能来定义表面张力系数。
假如 AB边移动x，到达AB,
则力F 所作的功为 A=Fx
C
A A
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由于表面活性物质在溶液中聚集于极薄 的表面层，所以少量的表面活性物质就 可以显著降低溶液的表面张力系数。反 之，表面非活性物质溶于溶剂后，这些 物质将尽可能离开表面层，进入液体内 部，以减少表面能，结果溶液内部溶质 的浓度比表面层大。
毛细现象
把一块洁净的玻璃浸入水里再取出来， 可以看到玻片的表面带有一层水膜；在 洁净的玻璃板上滴一滴水，水就沿着玻 璃表面向外扩展，在玻璃板上形成一层 水膜，这种液体和固体接触面积趋于扩 大的现象称为浸润现象。对玻璃来说， 水是浸润液体。
液体的表面都有一种缩小的趋势。
表面张力
表面张力，是液体表面层由于分子引 力不均衡而产生的沿表面作用于任一 界线上的张力。
表面张力的方向 方向：表面张力的方向与液面相切，与 液面的任何两部分分界线垂直，并与液 体的表面缩小趋势一致。
表面张力的计算
液体表面张力
表面张力的计算
F L
液体表面张力F的大小与 液体表面分界线的长度L 成正比
液体表面张力
比例系数a 称为液体的表面张力系数，a 在数值上等于作用在液体表面单位长度分 界线上的表面张力。 在国际单位制中，a的单位是牛/米。
表面能的计算
表面张力系数与表面能
表面能的计算
E W S
表面张力系数与表面能
外力克服表面张力做功，使原来处于液体内部的 分子进入表面层，导致液膜的表面积增加，并且 外力克服表面张力所做的功等于液体分子增加的 势能。 我们把液体表面层分子比液体内部分子所多出的 势能的总和称为表面能。
毛细现象
把一块洁净的玻璃浸入水银里再取出来， 可以看到玻片上不附着水银；在洁净的 玻璃板上放一滴水银，水银能够在玻璃 板上滚来滚去，也不附着在上面，这种 液体和固体接触面积趋于缩小的现象称 为不浸润现象。对玻璃来说，水银是不 浸润液体。
接触角为与液面相切的切线和固-液界面之间 的夹角
浸润和不浸润现象
第3节 液体的表面性质
１．ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ面张力和表面能的概念。 ２．弯曲液面的附加压强公式。 ３．毛细现象。
呈球形的油滴
薄膜收缩使棉线成弧形
分子引力作用半径约为10-10m。
表面层：液面层下厚度约等于分子引 力作用半径的一层液体称为液体的表 面层。
表面能：处于表面层中的分子比处于 液体内部的分子具有较大的势能。
弯曲液面的附加压强
弯曲液面的附加压强
P0=P
P P0 PS P P0
P 0 PP S
PP 0
附加压强的计算
F L
2 PS R
肥皂泡内外压强差为：
4 PS R
在玻璃管的两端吹两个半径 不等的肥皂泡A和B。由于小泡 的半径较小，所以泡内的压强 就较大。当打开阀门使两泡连 通时，小泡内气体将流入大泡， 小泡逐渐缩小，大泡逐渐变大， 直至小泡缩减为弯曲液层，且 与大泡有相同的曲率半径时为 止。
附加压强实验
2 PS R
气体栓塞： 当液体在细管中流动时，如果管中出 现气泡，液体的流动就要受到阻碍，气泡 多了就能堵住管子，使液体不能流动，这 种现象称为气体栓塞。
2 PS R
表面吸附
表面吸附
由图可以看出，力f1 和f2 有使液滴紧缩的 趋势；力f12有使液滴伸展的趋势。当
2 1 12
时，则
f 2 f1 f12
保持为液滴状
表面吸附
2 1 12 时，则
f 2 f1 f12
表面吸附
表面张力将使液滴伸展开成为覆盖在 底层液体Ⅱ表面的薄膜，如不足以覆盖， 则形成单分子薄膜。一种液体在另一种液 体表面伸展成薄膜的现象称为表面吸附。
表面吸附
表面吸附
一种液体在另一种液体表面伸展成薄膜 的现象称为表面吸附。 液体Ⅰ也叫液体Ⅱ表面活性物质。 液体Ⅱ也叫液体Ⅰ的吸附剂。
2 Ps gh R 2 h gR
浸润液体在毛细管中上升的高 度
毛细管插入液体中时，毛细管的液体在 毛细管中上升的高度h，设管内半径为r， 接触角为锐角θ，如何求h？
r
2 Ps cos gh r
2 h cos rg
浸润液体在毛细管中上升的高 度
小结 表面张力的计算
接触角为锐角时，称为液体浸润固体； 当其为零时，液体完全浸润固体。 接触角为钝角时，称液体不浸润固体； 当其为180度时，称液体完全不浸润固体。
浸润液体形成凹液面
不浸润液体形成凸液面
把浸润液体在细管中上升和不浸润液体 在细管中下降的现象称为毛细现象。发生 毛细现象的细管称为毛细管。
完全浸润毛细管的液体在毛细管中上升 的高度h，因毛细管的管径很细，将其 插入液体中时，设管内的液面可以看作 是半个球面，半径为R，即接触角为0度， 如何求h？
弯曲液面的附加压强
F L
2 PS R
4 PS R
肥皂泡内外压强差为：
表面能的计算 E S
表面活性物质
能使溶液表面张力系数减小的溶质,称 为这种溶剂的表面活性物质或表面活性剂。
常见水的表面活性物质有胆盐、蛋黄 素以及有机酸、酚、醛等。
能使溶液表面张力系数增大的溶质 称为这种溶液的表面非活性物质或非表 面活性剂。 水的表面非活性物质有糖类、淀粉、 氯化钠以及某些无机盐等。
表面活性物质产生作用的原理： 当表面活性物质溶于溶剂后，溶剂与溶质分 子之间的吸引力小于溶剂分子之间的引力。 位于表面层中的溶剂分子比溶质分子受到指 向液体内部的力大。从而尽可能离开表面层 而进入液体内部，致使溶质在表面层的浓度 远大于液体内部，结果减少了溶液的表面势 能，增加了系统的稳定性。