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液体表面张力与液体表面现象.doc
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1、液体的表面张力与液体的表面现象在日常生活中,只要你稍加留意,就会观察到许多与液体表面张力有关的现象。如草叶上晶莹剔透的露珠,荷叶上滚动着的小水滴,玻璃板上的小水银滴等,它们为什么都是球形或近似球形?这就是因为液体表面张力的作用结果。当用细管吹出一个个五彩缤纷的肥皂泡时,在泡膜的表面上就布满了液体表面张力。用数学可以证明,在体积相同的各种形状的几何体中,球体的表面积最小。正是由于表面张力的作用,才会出现露珠、小水银滴等都收缩为球形的现象。你若有机会观察护士给病人输液,你会看到在输液之前,护士总是要把输液管中的空气泡排除干净。不然的话,若让那些气泡混入人体血管中,在表面张力的作用下,气泡将会阻碍血
2、液的正常流动。下面就来分析一下液体的表面张力,以及液体表面现象发生的原因。1 表面张力的成因、大小和方向表面张力就是促使液体表面收缩的力。液体与气体的交界面(属于液体薄层),称为表面层。在表面层中,液体分子因受到液体内部分子的引力,而有一部分会被拉入液体内,致使表面层液体分子密度小于液内分子密度。表面层中液体分子的这种布局,使得液体表面层就像一张“绷紧”的橡皮膜,而具有收缩趋势。表面层一直处在具有收缩趋势的表面张力作用之下。这里应指出,液体表面张力与橡皮膜张力在本质上是不同的。橡皮膜的分子间距会随着膜面积的增大而增大。而液体表面张力却不受面积变化的影响,当液体表面层面积增大时,液内分子会自动进
3、入液面来补充,从而维持液面内分子间距不变。可以用一个很简单的实验,来可说明表面张力的存在。取一段铜丝制成一个直径约的圆环,在环上跨系一根细红线(用红线易于观察)。将环浸入洗洁精溶液再取出,环上蒙了一层液膜,这时用粉笔头轻触线一侧的液膜,原来自由弯曲的红线则立即被液膜拉向另一侧,成为一段张紧的弧线。实验表明,液体表面具有收缩到最小面积的趋势。同时它还表明,表面张力的方向垂直于任一周界线且与液面相切。理论和实验表明,表面张力的大小,可用如下公式表示:上式中,称为表面张力系数。与液体的种类、温度等因素有关。不同的液体,不同;同一种液体,随温度升高而减小。另外,也与液体中的杂质有关。因此,当人体使用了
4、某些药物后,血液或尿液的表面张力系数则会发生变化。在生活中有许多与表面张力有关的现象。例如,对人来说,重力有时会造成很大的麻烦。人若不慎从高处落下,可能会被摔得不轻。而小昆虫一点也不害怕重力,它在落下时一点危险也没有。但表面张力对某些昆虫来说则有可能造成很大威胁,小昆虫有时最怕表面张力。当一个成人从浴池中站起时,他身上会带起厚约的一层水,这些水大约,不到人体重的,这对人来说不会感到有什么负担。即使是人的全身涂满了肥皂泡沫,其表面张力对人也不会产生任何威胁。而一只蚊子一旦被肥皂泡沫弄湿,它将很危险。这时蚊子将难逃表面张力“法网”。2 球形液面的附加压强()下面来讨论球形液面附加压强的大小和方向。
5、这里使用球形液面进行分析,主要是考虑数学处理上的简便,所得结论也可以近似地应用于非球形的弯曲液面(也称弯月面)。对于球形液面,由于液面是弯曲的,其表面张力将产生一个附加压强(用表示)。球形液面附加压强的大小可以用球面膜的拉普拉斯公式来计算:上式表明,的大小与表面张力系数成正比,与球面的半径成反比。附加压强的方向总是指向球形液面的球心(或是指向弯曲液面的曲率中心)。3 气体栓塞现象液体在细管中流动时,如果管中有气泡,液体的流动就会受到一定的阻碍。若气泡数量过多,则可能发生堵塞,液体不能流动,即产生气体栓塞现象。护士在给病人输液时必须排除管路中气泡,就是基于这个道理。下面运用表面张力和附加压强知识
6、来解释气体栓塞是如何形成的。设液体在细管中从A向B(从左向右)流动,并设管两端的压强分别为和,且,管两端压强差。如果细管中有一个气泡,设气泡半径等于细管的半径,并且液体仍能流动,由于液体粘滞性以及受到压强差作用,气泡左、右两端面就会发生形变,左端液面的曲率半径变大,右端液面的曲率半径变小。由于弯曲液面附加压强与液面的曲率半径成反比,这时左端液面的附加压强小于右端液面的附加压强。气泡两端面的附加压强之差为,的方向由B指向A(向右),总与液体流动方向相反。如果此时,这时液体仍可带动该气泡一起流动。如果管中有个气泡,这些气泡的附加压强差为。只有当时,液体才可能带动这些气泡一起流动。如果一旦发生了的情
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