表面张力 附加压强 毛细现象
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物态变化解析物质的表面张力与毛细现象物质的表面张力与毛细现象是关于物态变化的重要探讨话题。
本文将从物质的属性、表面张力的定义与实验方法、液体的毛细现象等方面进行分析。
1. 物质的属性物质是由分子或离子组成的,它们之间的相互作用力决定了物质的性质。
在气体状态下,分子之间很少相互作用,而在液体和固体状态下,由于分子之间的引力和斥力,物质会显示出不同的性质。
2. 表面张力的定义与实验方法表面张力是液体表面上的分子间作用力所造成的现象。
它是由于分子间吸引力导致表面上的分子受到垂直入射的力,从而使得表面呈现出拉紧状态。
实验上,可以使用浸水法或者测量液体滴在固体表面的形态变化来确定表面张力的大小。
3. 液体的毛细现象毛细现象是液体在细小管道或毛细管中产生的现象。
当管道的直径小于液体的容积平衡时,液体会因为与管道壁的表面张力而上升或下降,形成毛细现象。
这个过程受到重力、表面张力及管道尺寸等因素的影响。
4. 表面张力与物质的相变表面张力是物质在相变过程中一个重要的因素。
例如,在液体与气体的相变中,当液体的表面张力大于气体与液体界面的表面张力时,液体会形成一个凸起的球状形态,使得液体呈现出滴状。
相反,当液体的表面张力小于气体与液体界面的表面张力时,液体会扩散开来,呈现出薄薄的液膜状。
5. 表面张力的应用表面张力广泛应用于液体的浮力、沉降速率、泡沫稳定性等方面。
举例来说,由于表面张力的存在,水滴在湿润的表面上能形成一个凸起的球形,这使得水滴在叶片上能够较轻易滑落,避免水分的滞留而导致植物病害的发生。
总结:物质的表面张力与毛细现象是物态变化中重要的现象。
液体的分子间作用力决定了表面张力的大小,而毛细现象则是液体在细小管道中表现出来的特性。
表面张力在相变过程中也起到重要的作用,并且广泛应用于浮力、沉降速率以及生活中的一些实际问题。
理解和掌握这些概念对于物质的性质研究和应用有着重要的意义。
HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY物理实验报告实验题目:毛细管升高法测液体的表面张力系数*名:***物理实验教学中心实验报告一、实验题目:用毛细管升高法测液体的表面张力系数二、实验目的:1.了解用毛细管升高法测液体表面张力系数的原理和方法;2.学习用读数显微镜测微小长度。
三、实验仪器:JCD3型读数显微镜、容器台、支架(插毛细管用)、温度计、烧杯、玻璃毛细管等。
图1 读数显微镜四、实验原理(原理图、公式推导和文字说明):1.弯曲液面的附加压强液体的表面张力实质是分子间相互作用力的宏观表现。
由于液面上方的气相层内的分子数很少,液体表面层内的分子受到向上的引力比向下的引力小,产生一个垂直于液面并指向液体内部的合力,即表面分子有从液面挤入液体内部的倾向,使液面具有尽量收缩的趋势。
由于表面张力的存在,液面内和液面外有一压强差,称为附加压强。
理论上可以证明,半径为R的球形液面下的附加压强为:p=2α/R,α为表面张力系数。
由此可见,表面张力系数越大,附加压强p也就越大。
如果凸液面,附加压强是正的,液面内部的压强大于液面外部的压强;如果是凹液面,则液体内部压强小于液体外部压强,附加压强是负的,即p=-2α/R。
2.液面与固体接触处的表面现象润湿现象:液滴沿固体表面向外扩展,附着在固体表面上形成薄层;不润湿现象:液滴在固体表面总是近似呈球形的,能在固体表面滚动而不附着在上面;润湿和不润湿现象就是液体和固体接触处的表面现象,润湿和不润湿决定于液体和固体的性质。
在液体与固体接触处,作液体表面的切线与固体表面的切线,这两切线通过液体内部所成的角度θ称为接触角。
θ为锐角时,液体润湿固体;θ=0时,液体将展延在全部固体表面上,这时液体完全润湿固体;θ为钝角时,液体不润湿固体;θ=π时,液体完全不润湿固体。
图2 液面与固体接触处的表面现象3.毛细现象将极细的玻璃管插入水中时,可以看到管子里的水面会升高,而且管的内径越小,水面升得越高。
HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY物理实验报告实验题目:毛细管升高法测液体的表面张力系数*名:***物理实验教学中心实验报告一、实验题目:用毛细管升高法测液体的表面张力系数二、实验目的:1.了解用毛细管升高法测液体表面张力系数的原理和方法;2.学习用读数显微镜测微小长度。
三、实验仪器:JCD3型读数显微镜、容器台、支架(插毛细管用)、温度计、烧杯、玻璃毛细管等。
图1 读数显微镜四、实验原理(原理图、公式推导和文字说明):1.弯曲液面的附加压强液体的表面张力实质是分子间相互作用力的宏观表现。
由于液面上方的气相层内的分子数很少,液体表面层内的分子受到向上的引力比向下的引力小,产生一个垂直于液面并指向液体内部的合力,即表面分子有从液面挤入液体内部的倾向,使液面具有尽量收缩的趋势。
由于表面张力的存在,液面内和液面外有一压强差,称为附加压强。
理论上可以证明,半径为R的球形液面下的附加压强为:p=2α/R,α为表面张力系数。
由此可见,表面张力系数越大,附加压强p也就越大。
如果凸液面,附加压强是正的,液面内部的压强大于液面外部的压强;如果是凹液面,则液体内部压强小于液体外部压强,附加压强是负的,即p=-2α/R。
2.液面与固体接触处的表面现象润湿现象:液滴沿固体表面向外扩展,附着在固体表面上形成薄层;不润湿现象:液滴在固体表面总是近似呈球形的,能在固体表面滚动而不附着在上面;润湿和不润湿现象就是液体和固体接触处的表面现象,润湿和不润湿决定于液体和固体的性质。
在液体与固体接触处,作液体表面的切线与固体表面的切线,这两切线通过液体内部所成的角度θ称为接触角。
θ为锐角时,液体润湿固体;θ=0时,液体将展延在全部固体表面上,这时液体完全润湿固体;θ为钝角时,液体不润湿固体;θ=π时,液体完全不润湿固体。
图2 液面与固体接触处的表面现象3.毛细现象将极细的玻璃管插入水中时,可以看到管子里的水面会升高,而且管的内径越小,水面升得越高。
摘要:本文从高中物理无法解决的有关毛细现象的问题出发,从大学物理的教材中寻找有关的理论,旨在解决该问题,并拓宽相关知识的广度,挖掘相关内容的深度。
关键词:毛细现象 受力分析 附加压强毛细现象的再思考一、引言在人教版高中物理选修3-3部分的《液体》章节中涉及到了毛细现象,无论在教材还是在参考资料上,都无一例外地向读者展示毛细管中的浸润液体上升是因为表面张力的作用与高出的液体重力平衡。
对毛细现象用这样的解释方法带来两个问题:一是毛细管中的不浸润液体下降的原因是表面张力和哪部分液体的重力平衡呢?书本未提及,教师也没办法跟学生解释。
二是对于解决下面这个问题就显得很尴尬了——若将一毛细管插入水中,其中水面可升高3cm ,若该毛细管垂直露在水面上部分的长度只有2cm 。
则水是否将溢出管外?如此是否可以做成一永动机呢?——永动机模型是不存在的;而毛细管只有在高出液面长度为3cm 表面张力才等于液柱的重力,若毛细管露出液面的高度只有2cm 长的情况下,水柱受力不平衡,还要继续上升,水将溢出,这的确就是永动机嘛。
不仅仅是学生,就连有的高中教师也说不清楚,问题出在哪里。
要解决这两个问题,就要从毛细现象产生的原因上去考察。
毛细现象是指将毛细管插入液体中,由于液体和固体间的浸润或不浸润效果,管中的液面上升或下降的现象。
毛细现象的产生是浸润(不浸润)和表面张力共同作用的效果。
下面笔者将结合液面受力情况,细致分析毛细现象出现的过程。
二、“附加压强”概念解析有些情况下,液体会形成弯曲的表面,由于表面张力的影响,此时液面内外将出现压强突变的现象,内外压强差值叫附加压强。
附加压强的大小可以用下面方法推导得到:从任意一个弯曲的液面上取一个非常小的曲面元,由于曲面足够小,为了便于计算,可将其视为矩形ABCD ,其面积为∆S 。
其中AB 边长为l 1,AD 边长为l 2,找到该曲面的四条边的中点B 2、B 1、A 2、A 1,连接B 2 A 2、B 1A 1,交点为O 。
第五章包气带水的运动将玻璃毛细管插入水中,毛细管内的水面上升即会上升到至一定高度,这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象(图5-1)。
图5—1 毛细现象与附加表面压强(a—凹形的液面产生负的表面压强;b—凸形的液面产生正的表面压强)一、毛细力f毛细现象的产生与表面张力有关。
表面张力:设想在液面上划一根长度为的线段,此线段两边的液面,以一定的力相互吸引,力的作用方向平行于液面而与此线段垂直,大小与线段长度成正比,即为表面张力,力的大小表示为:式中:称为表面张力系数,单位为dyn/cm。
(1dyn=1×N)二、附加表面压强Pc附加表面压强:在表面张力的作用,液面呈弯曲状,弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强,附加表面压强的作用方向总是指向液体表面的曲率中心方向:凹进的弯液面;对液体附加一个负的表面压强(图5—2a)。
凸起的弯液面,对液体附加一个正的表面压强(图5—2b)。
附加表面压强的大小:(1)半圆球形液面:设想切取一个半径为R的半圆球形液面(图5—3)。
在此液面的圆周状边线上都存在着指向液层内部的表面张力;表面张力合力f为,作用于垂直于面积为的投影圆面。
表面张力所引起的附加表面压强为:(5—1)图5—2 半圆球状凹形弯液面产生负的附加表面压强图5—3 附加表面压强的形成(2)任何形状的弯液面:任何形状的弯液面所产生的附加表面压强都可以用拉普拉斯公式表示:(5—2)式中:—表面张力系数;,—液体表面的两个主要曲率半径。
当液面为凸形时,附加表面压强是正的。
此时,实际表面压强。
如液面为凹形时,附加表面压强是负的,故实际表面压强。
平的液面不产生附加表面压强,故实际表面压强。
(参见图5—1)。
当时,,与(5—1)式完全相同,可见(5—1)式乃是拉普拉斯公式的特殊形式。
(3)实际表面压强P:在弯形液面下的作用下,液体实际承受到的表面压强(以下简称“实际表面压强”)应该等于液面大气压强P0与附加表面压强Pc,即:式中:为大气压强。
毛细现象原理
毛细现象是一种在微观尺度下非常普遍的现象,它对于液体在细小管道或多孔
介质中的行为具有重要影响。
毛细现象的原理关键在于表面张力和毛细管内外压力之间的平衡。
在这种现象下,液体在细小管道中能够上升或下降,形成一系列有趣的现象和应用。
表面张力的作用
表面张力是液体内部分子间相互吸引力导致的结果,它使得液面能够收缩成最
小表面积的形态。
在细小管道中,表面张力将导致液体在管道中形成凸曲Meniscus,这种形态使得管道内的液面呈现出曲率。
不同液体的表面张力不同,这也导致了不同液体在毛细管中表现出不同的现象。
毛细管内外压力的平衡
毛细现象中,液体在细小管道中的上升或下降是由毛细管内外的压力平衡所决
定的。
毛细管内外的压力差异使得液体能够克服自身的重力并在细小管道中运动。
这种平衡关系对于液体在微小空间中的输送和分离具有重要作用,例如在微流控系统中的应用就广泛涉及到毛细现象的原理。
毛细现象的应用
毛细现象不仅是一种有趣的物理现象,也被广泛应用于实际生产和科研领域。
例如,毛细管作为一种微型流量测量器件,可以应用于医疗器械和化工领域;毛细管色谱技术则利用毛细现象来实现物质分离;此外,微纳米流体力学领域的研究也大量利用毛细现象来探究小尺度流体行为。
总的来说,毛细现象是一个值得深入探讨的物理现象,它不仅丰富了我们对液
体行为的认识,也为微型技术和应用提供了重要的基础。
通过理解毛细现象的原理,我们可以更好地利用这一现象,推动科技的发展和创新。
毛细作用,是液体表面对固体表面的吸引力。
毛细管插入浸润液体中,管内液面上升,高于管外,毛细管插入不浸润液体中,管内液体下降,低于管外的现象。
毛巾吸水,地下水沿土壤上升都是毛细现象。
在洁净的玻璃板上放一滴水银,它能够滚来滚去而不附着在玻璃板上。
把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来,玻璃上也不附着水银。
这种液体不附着在固体表面上的现象叫做不浸润。
对玻璃来说,水银是不浸润液体。
目录1现象2浸润液体3附加压强4上升高度5公式6推导7生物现象8实验1现象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.毛细现象图片锦集(12张)在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子。
植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来。
砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象。
在这些物体中有许多细小的孔道,起着毛细管的作用。
有些情况下毛细现象是有害的。
例如,建筑房屋的时候,在砸实的地基中毛细管又多又细,它们会把土壤中的水分引上来,使得室内潮湿。
建房时在地基上面铺油毡,就是为了防止毛细现象造成的潮湿。
水沿毛细管上升的现象,对农业生产的影响很大。
土壤里有很多毛细管,地下的水分经常沿着这些毛细管上升到地面上来。
如果要保存地下的水分,就应当锄松地面的土壤,破坏土壤表层的毛细管,以减少水分的蒸发。
2浸润液体在洁净的玻璃上放一滴水,它会附着在玻璃板上形成薄层。
把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来,玻璃的表面会沾上一层水。
这种液体附着在固体表面上的现象叫做浸润。
对玻璃来说毛细现象实验,水是浸润液体。
同一种液体,对一种固体来说是浸润的,对另一种固体来说可能是不浸润的。
液体表面张力系数三种测量方法的比较研究摘要:表面张力是表征液体表面特性的重要物理量,在大学物理实验中我们已经做过用拉脱法测量液体的表面张力系数的实验,本文对改进后的拉脱法,毛细管上升法和U 型管法进行深入的研究,以及对这三种方法的测定原理、优缺点进行比较探讨。
关键词:表面张力;表面张力系数;毛细管上升法;U 型管法;拉脱法1.引言生活中,我们常常能看到这样一些现象:蚊子能够站在水面上,剃须刀、 针可以浮在水面上,荷叶上的小水滴、清晨草叶上的露珠都近似呈圆球状。
这些现象我们都司空见惯,但细细一想就很值得探究,而其实这些现象都和表面张力有关。
许多事例告诉我们,液体表面具有收缩到最小的趋势,促使液体表面收缩的力,就叫做表面张力。
就比如我们用肥皂水吹泡泡时,不管用什么形状的吹出来都是球形的,而我们知道,同一体积下球形的面积是最小的。
表面张力是表征液体特性的一个重要的物理参量,它不仅和我们日常生活经验息息相关,还涉及到农业、化学和医学领域。
2.液体表面张力的应用2.1弯曲液面的附加压强静止液体在靠近器壁处的液面呈弯曲液面,在内径很小的容器里,液面则呈弯月面。
当液面是弯曲液面时,因为有表面张力的存在,它所产生的作用于液体单位面积上的附加压力,我们把它叫做附加压强[2]。
在静止的液体表面上,选一个面积为S 的圆面作为研究对象,内p 和外p 表示液面内外的压强,s p 为附加压强。
如果液面是水平面,沿周界的表面张力合为零,则外内p p =,即0-==外内p p p s 。
对于液面是凹的弯曲面,表面张力所产生的附加压强指向弯曲液面的球心所在那一边,则s p p p -=外内。
与水平液面相比较,凹液面下的液体多受到一个负的附加压强作用,即外内p p <。
对于液面是凸的弯曲面,表面张力所产生的附加压强也是指向弯曲液面的球心所在那一边,则s p p p +=外内。
与水平液面相比较,凸液面下的液体多受到一个正的附加压强作用,即外内p p >。