正文 第三章 液體的表麵現象(1 / 3)

液體除了它的力學性質外,還有一個重要特性——表麵特性。由於液體和氣體接觸處有一個表麵層,液體和固體接觸處存在一個附著層,因而將產生一係列的表麵特性。其中表麵張力以及由此而產生的毛細現象,對於生物體來說,有著極為重要的意義。例如人體血管的末端血壓很低,而毛細血管又很細,血液的流動正是通過毛細作用來完成的。再如,肺泡內壁附著的粘性組織液,其表麵張力的調節,對肺功能起著不容忽視的作用。本章主要討論液體的表麵張力,彎曲液麵的附加壓強和毛細現象。

第一節液體的表麵張力表麵能

一、液體的表麵張力

液體的表麵如同一層張緊的彈性薄膜,具有收縮的趨勢。這可以通過下麵一個簡單的實驗清楚地看出。將一係有棉線圈的鐵絲環浸入肥皂液中,然後取出,鐵絲環上便形成一層具有兩個表麵的液膜,棉線圈在液膜上保持著它原來的任意形狀,當把棉線圈內的液膜刺破時,由於圈外液膜的收縮,立即把棉線圈拉成圓形,對於一定周長的一切幾何圖形,圓的麵積為最大,故此時液膜的麵積最小。圖中小箭頭表示圈外液膜斑施加的拉力的方向。由棉線圈張成圓形可以說明,這種拉力均勻地作用在圓周上。由此可知,當液膜未刺破時,棉線也受到同樣的拉力作用,隻是由於棉線兩側都有液膜,兩側的液膜對棉線各部分產生的拉力的合力為零罷了。這個使液麵收縮的力,稱為表麵張力。

液體表麵處處存在著表麵張力。設想在液麵上作一長為人的線段,則表麵張力的存在表現為:線段兩邊的液麵都以一定的拉力7作用於對方,這個力的方向與液體表麵相切,且垂直於分界線段。表麵張力1的大小與分界線段1的長度成正比。

二、表麵能

液體表麵勢能的增量。當液體表麵縮小時,它可以重新對外做功。液體表麵所具有的這種勢能稱為表麵,它的大小等於表麵張力係數和液體表麵麵積的乘積。由此我們可以得到,表麵張力係數的另一定義:表麵張力係數“在數值上等於液體單位麵積上的表麵能,即表麵能的實質是什麼呢?我們知道,組成物體的分子之間存在著相互作用力,這些力既有斥力,又有引力。這些分子間的作用力通稱為分子力。下麵我們來考慮液體分子間的相互作用。和氣體分子—樣,液體分子間引力作用範圍遠大於斥力作用範圍。

當分子4的分子作用球完全處於液體內部時,由於分子作用範圍內各分子對它的引力恰好互相抵消,所以合力為零。液麵下厚度等於分子作用球半徑的一層液體叫做液體的表麵層。處於表麵層的分子5與液體內部分子4不同,它的分子作用球一半在液麵之上。由於氣體密度與液體密度相比很小,因此液麵上氣體分子對分子的引力可以忽略不計,所以它隻受到液體內部周圍分子的引力,其合力指向液體內部。由於分子的分子作用球在液麵以上的部分較分子5小,所以它所受到的指向液體內部的合力也小。若想把一個分子從液體內部移到表麵層,就必須克服此力而做功,從而增加了這個分子的勢能,所以,處於表麵層的分子較液體內部的分子有較大的勢能。表麵能的實質正是表麵層中所有分子的這種勢能之和。表麵層麵積愈大,勢能越大。一個係統處於穩定平衡狀態時,勢能最小,故表麵層上的分子就有盡量擠人液體內部的傾向,使表麵層內的分子減少,表麵能變小。因而液體表麵具有收縮的趨勢,這就是在宏觀上表現出

第二節彎曲液麵的附加壓強

在日常工作和生活中,我們所觀察到的液麵並不都是平麵,如肥皂泡、液滴、液體與固體接觸處附近,液麵都是彎曲的。由於液體表麵層有表麵張力存在,使液麵內外有一壓強差。三種不同形狀的液麵。我們考慮液麵中一小塊麵積45度沿周界,在麵以外的液麵對麵都有表麵張力作用。力的方向與周界垂直,且沿周界與液麵相切。如果液麵是水平的,那麼液麵所受到的表麵張力均沿此平麵而互相抵消,這時液麵內外的壓強相等。如果液麵是一凸麵,因此,在平衡時液麵的內部壓強必大於外部壓強如果液麵是一凹麵,那麼表麵張力的合力指向液體外部,麵好像要被拉出液麵,因此在平衡時液麵內部的壓強必小於外部壓強。凸麵的附加壓強為正,凹麵的附加壓強為負。根據以上的討論可知,由於液麵的彎曲,在凹形一方的壓強總比凸形一方的壓強大些。