大学物理第二章液体表面现象

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第二章 液体的表面现象

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它们为什么可以 漂在水面上

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概 述液体的性质与其微观结构有关

液体具有一定的体积，不易压缩。 液体分子间距较气体小了一个数量级 ,为10-10 m, 分子排列较紧密，分子间作用力较大,其热运动与 固体相似 ,主要在平衡位臵附近作微小振动。 液体没有一定形状，并具有流动性。 这是由于液体分子振动的平衡位臵不固定，是近程 有序，即在很小范围内在一短暂时间里保持一定的 规则性。由于液体分子间距小，分子间相互作用力较大， 当液体与气体、固体接触时，交界处由于分子力作 用而产生一系列特殊现象，即：液体表面现象。

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第一节 液体的表面张力 一、表面张力1.现象：(1)液面有收缩到最小的趋势； (2)液面像紧绷的橡皮膜具有弹性。

说明：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)表面层：在液体与气体交界面，厚度等于分 子有效作用半径R 的一层液体。 (2)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。

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日 常 生 活 中 观 察 到 的 现 象

空气中或荷叶上的小水滴呈球状 小昆虫能停留在水面不下沉 加热使玻璃的锐利边缘熔化， 边缘变得圆滑 密度比水大的小钢针可以浮在水面 水滴在水龙头上悬挂一段时间不掉下来

表明液 体表面具有 像绷紧的弹 性膜那样的 张力。这种 张力与固体 弹性膜的张 力不同，它 不是由于弹 性形变引起 的，称为表 面张力。

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实验现象：

实验表明：表面张力方向与液体表面相切，垂直作 用在表面周界线上,并指向液面内侧。

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(3)表面张力产生的原因 ①从分子运动论观点说明(微观本质) 分子作用球： 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 。 球外分子对A 无 作用力，球内分 子对A 的作用力 对称分布，合力 为零。

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从表面层中任取 一分子B,其受合力 与液面垂直，指向 液内，这使得表面 层内的分子与液体 内部的分子不同,都 受一个指向液体内 部的合力 。 在这些力作用下， 液体表面的分子有 被拉进液体内部的 趋势。

f

在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势。

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②从能量观点来分析

把分子从液体内部移到表面层，需克服 f ⊥ 作功;外力作功,分子势能增加,即表面层内分子 的势能比液体内部分子的势能大，表面层为高 势能区;各个分子势能增量的总和称为表面能， 用E 表示。 任何系统的势能越小越稳定，所以表面层 内的分子有尽量挤入液体内部的趋势，即液面 有收缩的趋势，这种趋势在宏观上就表现为液 体的表面张力。表面

张力是宏观力，与液面相 切; f ⊥是微观力，与液面垂直。

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(4)表面张力系数 我们想象在液面上画一条 直线段，线段两侧液面均有收 缩的趋势，即有表面张力作用， 该力与液面相切,与线段垂直， 指向各自的一方,分别用f 和f′ 表示，这恰为一对作用力与反 作用力， f = - f′。f

f

由于线段上各点均有表面张力作用,线段越长,则 合力越大。设线段长为l ,则：f =αl 。 α为表面张力系数，数值上等于单位长度直线段 两侧液面的表面张力，单位：N / m 。

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(5)表面张力系数与表面能增量如图所示，铁丝框上挂有液膜， B B 表面张力系数为α,将AB边无 摩擦、匀速、等温地右移△x, f F 在AB边上加的力为：F =2αl , C C 则在这个过程中外力F 所做的 功为: W F x 2 l x S 其中△S = 2l△x ,是AB 向右移动过程中液面面积的 增量。外力克服分子间引力做功，表面能增加，若 用△E 表示表面能增量，则： E W E W S S S 表面张力系数在数值上等于增加单位液体表面积时，外力所 需做的功，或增加单位液体表面积时，表面能的增加。