第十一章 第四节 液体的基本性质

 

 

 

2013 年 6 月 20 日上午 10 点，在绕地飞行的“神舟十号”上，航天员王亚平将一个金属圈插入饮用水袋后抽出，金属圈上形成了一个水膜。轻晃金属圈，水膜并未破裂，用饮水袋不断注水，水膜很快“长成”一个晶莹剔透的大水球（图 11–29）。水膜为什么会成为球形？

液体没有确定的形状，具有流动性；有确定的体积，不易被压缩，其性质介于固体和气体之间。液体汽化时体积膨胀上千倍，凝固时体积收缩不超过 10%。

液体分子的热运动主要是在平衡位置附近的微小振动。但液体分子没有固定的平衡位置，它们在某一平衡位置附近振动一小段时间后，又移到另一个平衡位置附近做微小振动……这就是液体具有流动性的原因。

液体分子是聚集在一起的，因此液体具有确定的体积，且不易被压缩。但液体分子的位置只在很小的区域内表现出一定的规律性，而且这种区域随时可能瓦解再重新组合。从更大的范围来看，液体分子的位置则具有明显的不确定性。

宏观的液体就是大量暂时形成的分子集团的组合，这些分子集团杂乱无章地排列着，因而液体在各个方向上的物理性质都相同。

 

在图 11–30（a）的情形中，如用热针刺破棉线一侧的薄膜，棉线会向另一侧收缩，呈圆弧形；而在图 11–30（b）的情形中，刺破棉线圈内的薄膜，棉线圈会扩张成圆形。这些现象说明，液面对边缘有垂直于边缘的吸引力。如果在液面上任意设想一条直线，如图 11–31（a）中的 MN，则直线两侧的液面 ①、② 必定以相等的力相互吸引，如同彼此间存在拉力，而且这一拉力垂直于直线。这个拉力称为表面张力（surface tension）。可见，表面张力有使液体表面收缩的趋势。

表面张力源于液体分子间的引力作用。我们已经知道两个分子之间的作用力随彼此间距离变化的关系，在分子间距为 r₀ 时引力和斥力平衡。在通常温度下，由于热运动，液体内部相邻分子间的距离比 r₀ 略大，因此分子间作用力表现为引力。对表面而言，情形和内部有所不同。如图 11–31（b）所示，液体表面分子密度比内部小，相邻分子间距离略比内部大，因而分子间引力也比内部略大。设想一个处在表面层的分子，必受到前后左右分子的引力。由于存在这一引力，图 11–31（a）中 MN 左侧的液面①对右侧的液面②有吸引作用，液面②对液面①也有吸引作用，表现为表面张力。可见，表面张力的根源就是表面层液体分子间的引力。

 

在图 11–30（a）的情形中，薄膜未刺破时棉线两边分子相互吸引，棉线两边液面的表面张力平衡。如刺破一侧薄膜，刺破侧的液面消失，棉线便成为另一侧薄膜表面的边缘，垂直于棉线的表面张力使液面收缩，棉线便呈圆弧状。而在图 11–30（b）的情形中，圈内薄膜被刺破后，圈外薄膜的表面张力将棉线圈拉成圆形。

在表面张力的作用下，液体的表面积趋于最小。如图 11–32 所示，由于相同的体积下球形的表面积最小，小草上的露珠在表面张力的作用下近似呈球形。在完全失重的太空舱中，由于没有重力的作用，水膜在表面张力的作用下形成了完美的球形，如图11–29所示。

通过上述活动，可以发现玻璃表面沾上一层水，且扩张成薄层，这种现象叫做浸润（wetting）；而石蜡表面不沾水，这种现象叫不浸润。

同种液体对一些固体是浸润的，对另一些固体是不浸润的。例如，水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡。同种固体能被一些液体浸润，而对另一些液体则不能被浸润。例如玻璃能被水浸润，而不能被汞浸润。

固体能否被液体浸润，取决于固体分子对液体分子的作用力与液体内部分子相互作用力的关系。

在液体与固体的接触处形成的液体薄层叫附着层。当固体分子对附着层内液体分子的吸引力大于液体内部分子间的吸引力时，附着层液体有沿固体壁扩展的趋势，这就形成了液体对固体的浸润现象。由于上述原因，试管中的液体浸润玻璃时，管壁附近的液面向下弯曲呈凹状，如图 11–33（a）所示。

 

当固体分子对附着层内液体分子的吸引力小于液体内部分子间的吸引力时，附着层液体有收缩趋势，这就造成了液体对固体的不浸润现象。例如，汞气压计玻璃管中的汞面是凸形的弯月面，就是因为汞不浸润玻璃，如图 11–33（b）所示。

 

通过上述活动，可以发现水对玻璃浸润、对塑料不浸润。细玻璃管内的水面高于管外水面，而且管越细，管内水面越高；塑料吸管内的水面低于管外水面，而且管越细，管内水面越低。

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叫做毛细现象（capillarity）。内径小到足以发生明显毛细现象的管道叫毛细管。

毛细现象在自然界和生活中普遍存在。纸张、纺织品、粉笔等能吸水，就是由于水能浸润这些多孔性物质（即具有大量毛细管）产生了毛细现象。脚踩在海边的沙滩上，一会儿脚下就渗出水来，这是因为沙中的孔隙变细，形成毛细管，水就容易上升到地面上来。

本节编写思路

本节主要介绍液体表面的性质，分为四部分：液体的微观结构、液体的表面张力、浸润现象和毛细现象。

教材的思路是让学生从分子动理论角度出发，了解液体的微观结构，在此基础上分析、解释液体在宏观上所表现出来的各种现象。

实验是本节课教学的关键。学生将通过对现象的观察和描述，建立感性认识，然后运用分子动理论知识进行理性分析，对现象做出解释。这一过程中，学生将在宏观现象和微观结构之间建立联系，进一步体会宏观与微观相结合的研究方法。

正文解读

通过“自主活动”中的体验实验，让学生亲手操作，观察并描述现象，体会表面张力的存在：

（1）一侧薄膜被刺破，原来松弛的细线被拉向仍有薄膜的一侧，说明薄膜有收缩的趋势。

（2）棉线圈内的薄膜被刺破，线圈会被圈外的薄膜拉成圆形，因为周长一定时圆形的面积最大，这样圈外的面积就收缩到最小，说明液体表面有收缩到尽可能小的趋势。

 

关于液体表面张力的进一步解释，详见本节“资料链接”。

 

通过“自主活动”，引导学生通过观察来认识浸润现象和不浸润现象。还可以让学生回忆生活中看到过的一些浸润现象和不浸润现象的实例。

 

对浸润和不浸润现象的定性解释可按下列层次进行：

（1）在固体和液体接触处形成附着层，附着层分子既受液体内部分子的作用，又受固体分子的作用。

（2）如果固体分子对附着层内液体分子的吸引力大于液体内部分子间的吸引力，附着层内液体分子的分布密度会变大，分子间距变小，导致附着层内液体分子间呈斥力，附着层内的液体就有向外扩展沿着固体蔓延生长的趋势，从而形成浸润现象。

（3）如果液体分子间的相互作用大于液体和固体分子间的相互作用，则附着层中分子分布较稀疏，因而附着层分子间呈引力，附着层中液体有向内收缩聚集的趋势，表现为不浸润现象。

（4）浸润、不浸润现象和液体表面收缩趋势一样，也是分子力的一种表现。

 

通过“自主活动”，引导学生观察并描述现象，归纳出以下几点：

（1）不同材质的毛细管插入液体中，若液体浸润管壁，则细管中液面上升；若液体不浸润管壁，则细管中液面下降。

（2）液体在毛细管中上升或下降的高度与毛细管内径的粗细有关。管径越细，上升或下降的高度越大。

 

根据学生的学习水平，可对浸润情形下液体在毛细管内上升一定高度作出适当的解释：

（1）浸润使附着层内的液体上升，管内液面弯曲，表面积变大，表面张力的收缩作用要使液面趋向水平，于是管内液柱上升以减小液面的表面积。

（2）液面不断上升，直到表面张力向上的拉引作用和管内升高的液柱所受重力达到平衡时，液面才停止上升，稳定在一定高度。

关于不浸润情形下液体在毛细管内下降一定高度的原因，可让学生通过讨论自行分析。

 

通过“大家谈”，引导学生用毛细现象来解释生产中保湿排涝的做法，感受毛细现象在农业生产上的重要意义，完善物理观念。

问题与思考解读

1．参考解答：下雨时，雨伞的伞面织物的小孔里形成水膜，由于存在表面张力，雨水就被托住了，而不会从小孔里漏下。

命题意图：用液体表面张力知识解释生活中的现象，培养物理观念。

主要素养与水平：物质观（Ⅱ）；运动与相互作用观（Ⅱ）。

 

2．参考解答：昆虫的质量很小，当它在水面上跳动时，水的表面张力足以提供它所需要的弹力，所以它不会沉入水中。

命题意图：能解释日常生活中的表面张力现象。

主要素养与水平：物质观（Ⅱ）；运动与相互作用观（Ⅱ）。

 

3．参考解答：（1）油对竹筷和玻璃是浸润液体，会在竹筷或玻璃表面形成薄层，加上重力的作用，油便顺着竹筷或玻璃流下。

（2）天然棉花未脱脂前有油脂，它与病人伤口处的血水是不浸润的。脱脂后的棉花与血水是浸润的，能将伤口处的血水吸干净，所以必须用消毒后的脱脂棉。

（3）墨水与油纸是不浸润的，墨水与滤纸是浸润的，且滤纸有许多细小的毛细管，所以钢笔在油性纸上写不出字来，在滤纸上写字却会化开。

命题意图：了解浸润与不浸润在日常生活中的应用。

主要素养与水平：物质观（Ⅱ）；运动与相互作用观（Ⅱ）。

 

4．参考解答：吸水较好的粗纱或粗布条与水是浸润的，且中间有很多毛细管，由于毛细现象，盆中的水会顺着毛细管上升，到达布条的另一端，渗入土中，保持泥土湿润。

命题意图：观察日常生活中的现象，了解毛细现象在生活中的应用。

主要素养与水平：物质观（Ⅱ）；运动与相互作用观（Ⅱ）。

资料链接

液体表面张力

表面张力源于液体表面的分子受到的分子间引力作用。两个中性分子间的作用力、彼此间因相互作用而具有的势能与两个分子间距离的关系分别如图 3（a）和图 3（b）所示。

图 3

如图 3（b）所示，两分子间相互作用势能在相距 r₀ 时最小，对应于极低温即绝对零度附近的情形。相对于低温，常温时两分子的能量增加，设增加到 E_p1，与此对应的分子间的最小距离和最大距离分别为 r₁ 和 r₂，这表示由于热运动，分子间距离在 r₁ 和 r₂ 之间不断变化。由于势能曲线相对于 r₀ 并不对称，分子间的平均距离比 r₀ 略大。由图 3（a）可知此时分子间存在引力，即在常温时，液体内部任意两个相邻分子间的平均距离大于 r₀，相互作用表现为引力。正是这一引力使液体分子凝聚在一起。这种分子间的引力是短程力，其作用范围和近邻分子间的距离在同一数量级。在液体内部，由于每个分子四面八方都有相邻分子，平均而言每个分子受到相邻分子间的吸引力的合力为零。

处于液体表面的分子情形略有不同。表面层分子数密度比液体内部略低，相邻分子间距离比内部略大，因而表面相邻分子间的引力也就比内部略大，如图 3（a）所示。从能量观点看这是因为表而分子间的相互作用势能要比内部高。一个分子如从内部运动到表层，一定要克服内部分子对其的吸引做功，这个功转化为表面分子间的相互作用势能而使势能增加。根据经典的玻尔兹曼统计理论，势能高处数密度低，如同空气分子数密度随高度而下降一样。

设在液体表面任意画一直线，在直线左侧的分子受到直线右侧分子的引力，同时也吸引右侧的分子；右侧的分子受到左侧分子的引力，同时也吸引左侧的分子。直线左右两边的分子相互吸引，如同左右两边有张力作用而使液体表面积有收缩的趋势，这就是液体表面的表面张力。以上说明表面张力的微观机理正是表面层分子间的分子引力，据此可以很清楚地解释一些常见的现象。例如教材图 11 – 29，在失重条件下水体呈球状，这就是由于水表面张力的作用使表面积收缩，而对同样的体积，球形的表面积最小。又如教材图 11 – 30（a），对棉线上的皂液分子而言，由于同时受到棉线两边分子的吸引，合力为零，棉线可呈任意形状；但如果戳破一侧的肥皂膜，该侧皂液消失，不再对棉线有吸引作用，棉线就在另一侧液面的表面张力作用下收缩，使棉线绷紧成向有皂液一方弯曲的弧线；如考虑棉线上任意一段长度极短的线元，作用在线元上并垂直于线元的表面张力扣棉线内部作用在线元两端的张力的合力（垂直于线元指向液面外部）相平衡而使棉线静止。

以上分析同样可解释表面张力随温度的变化。随着温度上升，分子热运动加剧，热运动能量增加，有更多的分子能从内部向表面转移而使表面层分子数密度增加，于是相邻分子间距离相应下降。由图 3（a）可知，此时相邻分子间吸引力减小，从而导致表面张力减小。表面张力随温度上升而减小已由实验证明，例如，对外部为空气的水，表面张力系数（以 10⁻³ N/m 为单位）在 10 ℃时 为 74.22，30 ℃ 时为 71.18，而到 50 ℃ 时则减小至 69.71。正因为如此，烧热的针很容易刺破皂液膜，而冷的针则不容易刺破皂液膜。