第3章液体的表面现象修正版.ppt

第第3章章 液体的表面现象液体的表面现象§3.1 液体的表面张力液体的表面张力一、液体的微观结构一、液体的微观结构 液体液体分子间作用力分子间作用力显著宏观上表现为宏观上表现为不易压缩性不易压缩性液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内移动液体分子在平衡位置附近做振动和在液体内移动 液体分子在每一个平衡位置上振动的时间液体分子在每一个平衡位置上振动的时间分子的定居时间：分子的定居时间：不同液体，随着温度、压强的不同，定居时间不同不同液体，随着温度、压强的不同，定居时间不同 在液体与气体的在液体与气体的分界面处、分界面处、厚度等于分子有效作用半径的厚度等于分子有效作用半径的那层液体，称为那层液体，称为液体的表面（层）液体的表面（层） 当外力作用时间大于定居时间当外力作用时间大于定居时间表现为液体的流动性表现为液体的流动性 当外力作用时间小于定居时间当外力作用时间小于定居时间表现为表现为固体所特有的弹性形固体所特有的弹性形变、脆性断裂等力学现象变、脆性断裂等力学现象 二、液体的表面张力现象及微观本质二、液体的表面张力现象及微观本质 液体表面像张紧的弹性膜一样，具有液体表面像张紧的弹性膜一样，具有收缩的趋势收缩的趋势。

（（1 1）毛笔尖入水散开，出水毛聚合；）毛笔尖入水散开，出水毛聚合；（（2 2）蚊子能够站在水面上；）蚊子能够站在水面上；（（3 3）钢针能够放在水面上；）钢针能够放在水面上；（（4 4）荷花上的水珠呈球形；）荷花上的水珠呈球形；（（5 5）肥皂膜的收缩；）肥皂膜的收缩； 液体表面具有收缩趋势的力，液体表面具有收缩趋势的力，这种存在于液体表面上的张力称为这种存在于液体表面上的张力称为表面张力表面张力说明：说明：①① 力的作用是均力的作用是均匀分布的，力的方向与匀分布的，力的方向与液面相切；液面相切；②② 液面收缩至最小液面收缩至最小三、表面张力系数三、表面张力系数（（1）从力的角度定义）从力的角度定义AB(1)(2)ff’AB(2)f(1)f ’ （（2）从做功的角度定义）从做功的角度定义f fFF 做功为：做功为：△△S 为这一过程中液体表面积的增量，为这一过程中液体表面积的增量，所以：所以： 表示表示增加单位表面积时，外力所需做的功增加单位表面积时，外力所需做的功 称为表面张力系数，表示称为表面张力系数，表示单位长度直线单位长度直线两旁液面的相互作用拉力两旁液面的相互作用拉力。

N · m -11、表面张力系数的定义、表面张力系数的定义（（3）从表面能的角度定义）从表面能的角度定义 由能量守恒定律，外力由能量守恒定律，外力 F 所做的功完全用于克服表面张力，所做的功完全用于克服表面张力，从而转变为从而转变为液膜的表面能液膜的表面能 △△E 储存起来，即：储存起来，即：所以：所以： 表示表示增大液体单位表面积所增加的表面能增大液体单位表面积所增加的表面能2、表面张力系数的基本性质、表面张力系数的基本性质（（1 1）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的）不同液体的表面张力系数不同，密度小、容易蒸发的液体表面张力系数小液体表面张力系数小2 2）同一种液体的表面张力系数与）同一种液体的表面张力系数与温度温度有关，温度越高，有关，温度越高，表面张力系数越小表面张力系数越小3 3）液体表面张力系数与）液体表面张力系数与相邻物质的性质相邻物质的性质有关4 4）表面张力系数与）表面张力系数与液体中的杂质液体中的杂质有关3、表面张力系数的测定、表面张力系数的测定拉脱法测量液体表面张力系数拉脱法测量液体表面张力系数的实验仪器的实验仪器——焦利秤焦利秤。

水膜的对金属框的作用力为水膜的对金属框的作用力为 当拉起的当拉起的水膜处于即将破裂的状水膜处于即将破裂的状态态时，两个表面近似在竖直平面内，时，两个表面近似在竖直平面内，此时用焦利秤对金属框的作用力：此时用焦利秤对金属框的作用力：则表面张力系数：则表面张力系数：拉拉 脱脱 法法 将质量为将质量为 m 的待测液体吸入的待测液体吸入移液管移液管内，然后内，然后让其缓慢地流出让其缓慢地流出 当液滴即将滴下时，表面层将在颈部发生断当液滴即将滴下时，表面层将在颈部发生断裂此时颈部表面层的表面张力均为竖直向上，颈部表面层的表面张力均为竖直向上，且合力正好支持重力且合力正好支持重力液滴测定法液滴测定法 用附有目镜测微尺的望远镜测得断裂痕的直径为用附有目镜测微尺的望远镜测得断裂痕的直径为 d ，，移液管移液管中液体全部滴尽时的总滴数为中液体全部滴尽时的总滴数为 n ，，则每一滴液体的重量为：则每一滴液体的重量为：所受的所受的表面张力为：表面张力为：则有则有即即则大水滴的面积为则大水滴的面积为 例例解解设小水滴数目为设小水滴数目为 n ，，n 个小水滴的总面积为个小水滴的总面积为在融合过程中，小水滴的总体积与大水滴的体积相同，则在融合过程中，小水滴的总体积与大水滴的体积相同，则 表面张力系数表面张力系数 求求该过程是吸能还是放能？该过程是吸能还是放能？ 试求所吸收或者释放出的能量。

试求所吸收或者释放出的能量溶合过程中释放的能量溶合过程中释放的能量 半径为半径为r =2×10-3mm的许多小水滴融合成一半径为的许多小水滴融合成一半径为R=2mm的大水滴的大水滴 (假设水滴呈球状，水的表面张力系数假设水滴呈球状，水的表面张力系数 =73×10=73×10-3-3N·mN·m-1-1在此过程中保持不变在此过程中保持不变) ) 与水接触的油的表面张力系数与水接触的油的表面张力系数 a a=1.8×10-2N·m-1 ，为了使，为了使 1.0×10-3 kg 的油滴在水内散布成半径的油滴在水内散布成半径 r = 10-6m 小油滴，小油滴，（（散布过程可以认为是等温的，油的密度为散布过程可以认为是等温的，油的密度为ρ=900kg·m=900kg·m-3-3） 设设一个一个半径为半径为R 的的大油滴等温地散布成大油滴等温地散布成N N 个小油滴，个小油滴，因而因而所需作的功为所需作的功为例例解解油的质量油的质量 m 不变，则不变，则求求需要作多少功需要作多少功可得：可得： 表面张力源于表面张力源于表面层分子之间表面层分子之间相互作用力的不对称性。

相互作用力的不对称性 从从能量的角度能量的角度来解释表面张力存在的原因来解释表面张力存在的原因 分别以液体表面层分子分别以液体表面层分子A 和内和内部分子部分子B为球心、分子有效作用距为球心、分子有效作用距离为半径作球（离为半径作球（分子作用球分子作用球） 对于液体内部分子对于液体内部分子 B ：：（（1）分子作用球内液体分子）分子作用球内液体分子对称分布对称分布；；ABB B（（2）其受力情况也是对称的，所以沿各个）其受力情况也是对称的，所以沿各个方向运动的可能性相等方向运动的可能性相等 对于液体表面层的分子对于液体表面层的分子 A：：（（1）分子作用球中有一部分在液体表面以外，）分子作用球中有一部分在液体表面以外，分子作用球内下部液体分子密度大于上部；分子作用球内下部液体分子密度大于上部；液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大：液体表面层分子比液体内部分子的相互作用势能大：当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液体当液体内部分子移动到表面层中时，就要克服上述指向液体内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能。

内部的分子引力作功，这部分功将转变为分子相互作用的势能 由势能最小原则可知，在没有外力影响下，液体应处于表面由势能最小原则可知，在没有外力影响下，液体应处于表面积最小的状态积最小的状态从从力的角度力的角度看，就是有表面张力存在看，就是有表面张力存在2））所受合外力指向液体内部所受合外力指向液体内部，因此有向液体内，因此有向液体内部运动的趋势部运动的趋势AfL蚊子蚊子靠纳靠纳米米结构练结构练就水上漂就水上漂A ROBOT WALKING ON WATER§§3.2 3.2 弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强 对于弯曲液面来说，由于液体表面张力的存在，在对于弯曲液面来说，由于液体表面张力的存在，在靠近液面的两侧就形成一压强差，称为附加压强靠近液面的两侧就形成一压强差，称为附加压强其中其中 为液面内侧的压强，为液面内侧的压强， 为液面外侧的压强为液面外侧的压强一、弯曲液面的附加压强一、弯曲液面的附加压强 表面层中取表面层中取表面层中取表面层中取一小一小一小一小薄层液薄层液薄层液薄层液块（忽略其重力）。

块（忽略其重力）块（忽略其重力）块（忽略其重力）ffP0P1Δs即即即即水平液面水平液面: :可知可知可知可知= P0表面张力的合力指向液面内表面张力的合力指向液面内表面张力的合力指向液面内表面张力的合力指向液面内即即即即fΔsP0PsP2凹形液面凹形液面：：：：PsP3所以所以所以所以表面张力的合力方向不同，决定了附加压强的表面张力的合力方向不同，决定了附加压强的 PS 正负凸形液面凸形液面：：：：f所以所以所以所以表面张力的合力指向液面外表面张力的合力指向液面外表面张力的合力指向液面外表面张力的合力指向液面外ffP0Δs=P0+Ps=P0−Ps二、球形液面的附加压强二、球形液面的附加压强df//df⊥⊥dfrABCR（附加压强与表面张力的定量关系）（附加压强与表面张力的定量关系）作用在作用在dl 液块上的表面张力液块上的表面张力表面张力的合力为表面张力的合力为表面张力的合力为表面张力的合力为由于由于由于由于 ，，，，所以所以所以所以得得 球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比，与液面的球形弯曲液面的附加压强与表面张力系数成正比，与液面的曲率半径成反比。

曲率半径成反比 同理可以证明同理可以证明,对于凹形液面对于凹形液面dl弯曲液面的附加压强就是作用在单位面积上的表面张力的合力弯曲液面的附加压强就是作用在单位面积上的表面张力的合力弯曲液面的附加压强就是作用在单位面积上的表面张力的合力弯曲液面的附加压强就是作用在单位面积上的表面张力的合力（液面外大气压为（液面外大气压为P0））凸球形液面内液体压强为凸球形液面内液体压强为凹球形液面内液体压强为凹球形液面内液体压强为R球形液泡有两个半径近似相等的球形液膜球形液泡有两个半径近似相等的球形液膜CAB液膜液膜外表面为凸液面外表面为凸液面，有，有液膜液膜内表面为凹液面内表面为凹液面，有，有所以内外压强差为所以内外压强差为球形液泡内气体的压强为球形液泡内气体的压强为球形液泡内外气体的压强差球形液泡内外气体的压强差解解例例求求 如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右两端吹成一大一如图所示的装置中，连通管活塞关闭，左右两端吹成一大一小两个肥皂气泡假设肥皂薄膜厚度为定值）小两个肥皂气泡假设肥皂薄膜厚度为定值）如果打开连通管，气体会怎么运动？如果打开连通管，气体会怎么运动？由由由由肥皂泡内外气体压强差肥皂泡内外气体压强差肥皂泡内外气体压强差肥皂泡内外气体压强差打开连通管后打开连通管后打开连通管后打开连通管后气体将从气体将从B 流向流向 A 。

由于由于由于由于 所以所以所以所以在水下深度为在水下深度为 30cm 处有一直径处有一直径 d = 0.02mm 的空气泡设水的空气泡设水面压强为大气压面压强为大气压 P0= 1.013×105 Pa, ρ水水= 1.0×103 kg·m-3, α水水= 72×10-3 N·m-1气泡内空气的压强气泡内空气的压强 P泡泡 解解例例求求dhP0= 1.186×105 Pa§3.3 毛细现象毛细现象一、润湿和不润湿一、润湿和不润湿附着层：附着层：在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层由附着层内的分子力引起由附着层内的分子力引起润湿润湿不润湿不润湿内聚力：内聚力：液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力附着力：附着力：固体分子对附着层内液体分子的吸引力固体分子对附着层内液体分子的吸引力 润湿和不润湿决定于润湿和不润湿决定于液体和固体的性质液体和固体的性质内聚力内聚力大于大于附着力附着力A不润湿不润湿内聚力内聚力小于小于附着力附着力A润湿润湿 液体对固体的润湿程度由液体对固体的润湿程度由接触角接触角来表示。

来表示接触角：接触角：在液、固体接触时，固体表面经过液体内部与液体表在液、固体接触时，固体表面经过液体内部与液体表面所夹的角面所夹的角，通常用，通常用  来表示液体液体润湿润湿固体；固体；当当 时，时，当当 时，时，液体液体不润湿不润湿固体；固体；当当 时，时，液体液体完全润湿完全润湿固体；固体；当当 时，时，液体液体完全不润湿完全不润湿固体；固体； 润湿润湿 不润湿不润湿好雨知时节当春乃发生随风潜入夜润物细无声野径云俱黑江船火独明晓看红湿处花重锦官城 春雨贵如油春雨贵如油二、毛细现象二、毛细现象 将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，将细的管插入液体中，如果液体润湿管壁，液面成凹液面，液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体液体将在管内升高；如果液体不润湿管壁，液面成凸液面，液体将在管内下降这种现象称为将在管内下降这种现象称为毛细现象毛细现象hh能够产生毛细现象的细管称为能够产生毛细现象的细管称为毛细管1、毛细现象产生的原因、毛细现象产生的原因 毛细现象毛细现象是由于是由于润湿或不润湿现象润湿或不润湿现象和和液体表面张力液体表面张力共同作共同作用引起的。

用引起的 固固体体液体液体如果如果液体对固体润湿液体对固体润湿，，则接触角为则接触角为锐角锐角 固固体体液体液体h如果如果液体对固体不润湿液体对固体不润湿，，则接触角为则接触角为钝角钝角 h 容器口容器口径非常小，径非常小，附加压强的附加压强的存在将使存在将使管管内液面升高内液面升高，，产生产生毛细现毛细现象象 容器口容器口径很小，附径很小，附加压强的存加压强的存在将使在将使管内管内液面降低液面降低，，产生产生毛细现毛细现象象设管内液面为一半径为设管内液面为一半径为 R 的凹球面的凹球面附加压强为：附加压强为：即即2、毛细管中液面上升或下降的高度、毛细管中液面上升或下降的高度 如图，一截面半径为如图，一截面半径为 r 的毛细圆管，液的毛细圆管，液体润湿管壁，接触角为体润湿管壁，接触角为  θ由几何关系可知：由几何关系可知：RCBAr又且且得：得：h若若液体不润湿管壁，则液体不润湿管壁，则可得可得：： 润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比。

表面张力系数成正比，与毛细管的截面半径成反比管内液面管内液面下降下降在完全润湿或完全不润湿的情况下，在完全润湿或完全不润湿的情况下，  = 0 = 0 或或  = =  ，则：，则： 气体拴塞现象气体拴塞现象 如果让液体流动起来，表面会有什么变化呢？如果让液体流动起来，表面会有什么变化呢？ 如图所示的实验装置，当活塞不施加压强（如图所示的实验装置，当活塞不施加压强（ 假设假设活塞下的气柱中压强为大气压活塞下的气柱中压强为大气压P0 ））时，即时，即 给活塞施加压强并逐渐增大，给活塞施加压强并逐渐增大，发现发现当施加的压强很小时，液面并不当施加的压强很小时，液面并不降低降低，只是液面的曲率半径变小了只是液面的曲率半径变小了只有当压强增加到一定程度液面才下降只有当压强增加到一定程度液面才下降 这是由这是由弯曲液面的附加压强所致弯曲液面的附加压强所致，当给活塞施加一较小压强时，只是，当给活塞施加一较小压强时，只是凹形液面的曲率半径变小凹形液面的曲率半径变小了，附加压强增大，了，附加压强增大， 液面下压强仍然能够保持不液面下压强仍然能够保持不变，即液面不下降。

变，即液面不下降 逐渐增大右端的压强，刚开始液滴并不移动，只是右液面的曲率逐渐增大右端的压强，刚开始液滴并不移动，只是右液面的曲率半径减小；只有当压强增量超过一定的限度半径减小；只有当压强增量超过一定的限度 时，液滴才开始移动时，液滴才开始移动弯曲液面的附加压强弯曲液面的附加压强对毛细管中液体流动的影响对毛细管中液体流动的影响 如图，如图，PPPP ＋＋ △△PP如果毛细管中有如果毛细管中有 n 个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强为个液滴，根据上述讨论，如果最左边弯液面处压强为 P ；； 同理，要使第二个液滴移动，第二个气泡中的压强必须必须大于同理，要使第二个液滴移动，第二个气泡中的压强必须必须大于 P + 2ΔΔP P +ΔPP + 2ΔP如果要使这如果要使这 n 个液滴移动，则最右端必须施以大于个液滴移动，则最右端必须施以大于P + nΔΔP 的压强P + 3ΔPP + nΔP 当液体在毛细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动会受阻，如当液体在毛细管中流动时，如果管中出现气泡，液体的流动会受阻，如果气泡产生得多了，就会堵住毛细管，使液滴不能流动。

这种现象称为果气泡产生得多了，就会堵住毛细管，使液滴不能流动这种现象称为气体气体栓塞现象栓塞现象气体栓塞现象的危害举例气体栓塞现象的危害举例（（1 1）静脉注射或肌肉注射时要将针管中得气体排除后再注射；）静脉注射或肌肉注射时要将针管中得气体排除后再注射；（（2 2）当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析）当环境气压突然降低时，人体血管中溶解的气体因为溶解度下降而析出形成气泡；出形成气泡；比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命比如潜水员从深海迅速上升到水面时容易造成血栓而致命3 3）在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气泡堵塞毛细管，）在温度升高时，植物体内的水分也会析出气体，形成气泡堵塞毛细管，使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎使部分枝叶的水分或营养缺乏而枯萎土壤孔隙中的毛管水土壤孔隙中的毛管水毛细永动机能否制造出来？毛细永动机能否制造出来？植物水分的输运机制植物水分的输运机制土壤孔隙中的毛管水土壤孔隙中的毛管水 土壤基质借颗粒表面的吸附而吸持水分，被吸附的水土壤基质借颗粒表面的吸附而吸持水分，被吸附的水分称为分称为吸附水吸附水，难以被植物吸收；，难以被植物吸收； 吸附水的含量吸附水的含量与土壤颗粒的种类（比如粗砂土与细粘土的含水量不同）与土壤颗粒的种类（比如粗砂土与细粘土的含水量不同）、表面积大小有关。

表面积大小有关 由于由于孔隙的孔隙的毛管作用而保持的水分称为毛管作用而保持的水分称为毛管水毛管水，不，不易流失且易被植物吸收，在农业生产中具有重要意义易流失且易被植物吸收，在农业生产中具有重要意义 毛管水的含量毛管水的含量则不仅与土壤颗粒种类、表面积大小有关，而且还与土则不仅与土壤颗粒种类、表面积大小有关，而且还与土壤颗粒的排列和集聚形式有关壤颗粒的排列和集聚形式有关 由由 可知，毛细现象与可知，毛细现象与液体表面张力系数液体表面张力系数有关，因此与有关，因此与温度温度有有关 夜间夜间土壤表层温度低土壤表层温度低，水的，水的a a较大；较大；而而土壤较深层温度较高土壤较深层温度较高，水的，水的a a较小，较小，水分会沿毛细管上移水分会沿毛细管上移 所以所以拂晓时分，土壤表层水分含量高于正常水平拂晓时分，土壤表层水分含量高于正常水平保持土壤水分保持土壤水分是农业增产的一个重要问题是农业增产的一个重要问题 对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被液态水充满，通对于一般植物，如果土壤含水量饱和，则毛细管全部被液态水充满，通气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利。

气性能差；含水量过低，植物吸水困难，对作物生长不利 为了保持土壤中适当的含水量：为了保持土壤中适当的含水量： (1) 增加腐殖质增加腐殖质不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结构，增加毛管不仅补充了肥料，还可以改善土壤的空隙结构，增加毛管水的贮量；水的贮量；(2) 温室中通常以温室中通常以渗流灌溉渗流灌溉并对土壤含水量进行适时监控；并对土壤含水量进行适时监控； (3) 对于田间耕种，对于田间耕种，旱田播种后把地表压实旱田播种后把地表压实可以使土壤颗粒之间形成较可以使土壤颗粒之间形成较好的毛细管，利于水分上升至地表；而好的毛细管，利于水分上升至地表；而冬天则应把土壤翻松冬天则应把土壤翻松，破坏土壤的毛，破坏土壤的毛细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉细管，使水分不易上升到地表而被蒸发掉毛细永动机能否制造出来？毛细永动机能否制造出来？由由 可知：可知： 液体沿毛细管（液体润湿管壁）液体沿毛细管（液体润湿管壁）“自动自动”上升，上升， 如果毛细管的实际高度如果毛细管的实际高度 h0 比液体上升的高度比液体上升的高度 h 小，小，液体能否自动从管子中流出来形成液体能否自动从管子中流出来形成“毛细永动机毛细永动机”？？其高度似乎与毛细管的实际高度没有关系。

其高度似乎与毛细管的实际高度没有关系h实际上，实际上，毛细永动机是不可能存在的毛细永动机是不可能存在的P0AP0液体润湿管壁形成凹形液面，液体润湿管壁形成凹形液面，从而产生一定的附加压强，从而产生一定的附加压强， 即即 A 点的压强为：点的压强为：在大气压的作用下，液面会上升；在大气压的作用下，液面会上升；如果毛细管露出水面的长度足够，液面会上升如果毛细管露出水面的长度足够，液面会上升 hP0A 如果毛细管露出水面的长度如果毛细管露出水面的长度 h0 < h ，，则当液体上升则当液体上升到管口时，到管口时，液面的曲率半径将增大液面的曲率半径将增大，从而附加压强减小，，从而附加压强减小，PA 增大hP0A 当曲率半径增大到当曲率半径增大到 时，时， A 点压强增点压强增大大 ，液面不再上升液面不再上升 因此，即使毛细管的实际高度因此，即使毛细管的实际高度 h0 比液体上升的比液体上升的高度高度 h 小，也不会形成毛细永动机。

小，也不会形成毛细永动机植物水分的运输机制植物水分的运输机制现在对植物水分向上运输机制有三种观点：现在对植物水分向上运输机制有三种观点：1、毛细作用、毛细作用 植物体内的主要输水管道植物体内的主要输水管道木质部导管木质部导管是一个典型的毛细管系统，是一个典型的毛细管系统，它由许多丧失了原生质的死细胞构成，直径约为它由许多丧失了原生质的死细胞构成，直径约为 0.04mm ～～ 0.05mm玉米茎的横切面构造玉米茎的横切面构造多年生植物（朱槿）茎的横切面构造多年生植物（朱槿）茎的横切面构造 室温条件下，水的表面张力系数约为室温条件下，水的表面张力系数约为a a = 73×10－－3 N·m-1，，取毛细管的半取毛细管的半径径 r =0.02 mm ，，假设水完全润湿毛细管壁，得：假设水完全润湿毛细管壁，得： 这个结论似乎说明，这个结论似乎说明，低矮的植物低矮的植物单靠毛细现象就可以满足水分向上运单靠毛细现象就可以满足水分向上运输的需要输的需要 实际上实际上植物导管的上端并不是敞开的植物导管的上端并不是敞开的（与上述毛细管模型不同），导（与上述毛细管模型不同），导管中从上到下均充满了水分，而且毛细现象无法满足稍高的植物的输水需要，管中从上到下均充满了水分，而且毛细现象无法满足稍高的植物的输水需要，更不要说参天大树了。

更不要说参天大树了因此，植物水分上运输应该还有别的机制因此，植物水分上运输应该还有别的机制2、渗透作用、渗透作用 在生命系统中有许多膜相结构都是在生命系统中有许多膜相结构都是半透膜半透膜，如细胞膜、动物的膀胱、肠，如细胞膜、动物的膀胱、肠衣等，它们都存在衣等，它们都存在渗透现象渗透现象 如图所示的如图所示的 U 形管底部有一半透膜形管底部有一半透膜 MN 将糖溶液分将糖溶液分成两个浓度不同的区域，左侧浓度高，右侧浓度低成两个浓度不同的区域，左侧浓度高，右侧浓度低 半透膜半透膜只允许小分子通过，而不允许糖类分子、蛋只允许小分子通过，而不允许糖类分子、蛋白质分子等大分子通过，这一特性将使左右两边水的浓白质分子等大分子通过，这一特性将使左右两边水的浓度相等MNH2O 溶质浓度低相当于水的浓度高，溶质浓度高相当于水的浓度低，所以水溶质浓度低相当于水的浓度高，溶质浓度高相当于水的浓度低，所以水分子将通过半透膜向溶质浓度高的区域扩散，这种现象称为分子将通过半透膜向溶质浓度高的区域扩散，这种现象称为渗透现象渗透现象。

由于渗透作用，由于渗透作用，U 形管左侧液面将升高，右侧液面将降低；形管左侧液面将升高，右侧液面将降低； 必须在左侧液面施加一个压强必须在左侧液面施加一个压强 P 才能使左右液面平齐，这个压强称为才能使左右液面平齐，这个压强称为渗透压渗透压P实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是实验证明，早春时节枫树中糖溶液的向上运输就是渗透压渗透压造成的 在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液在早春，枫树根系中积累了头年夏天制造的高浓度糖溶液土壤解冻时水分通过渗透作用进入根系，迫使树液上升，土壤解冻时水分通过渗透作用进入根系，迫使树液上升，直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止直到渗透压等于树液液柱产生的压强为止渗透压可以使树液上升到渗透压可以使树液上升到 30m 以上的高度以上的高度 然而，在夏季，新陈代谢旺盛的植物根部的糖然而，在夏季，新陈代谢旺盛的植物根部的糖浓度要下降，此时单靠渗透压的作用是不够的浓度要下降，此时单靠渗透压的作用是不够的而且有些植物可以高达而且有些植物可以高达 60m 以上，如以上，如冷杉冷杉冷杉冷杉 这时无论是这时无论是毛细作用毛细作用还是还是渗透作用渗透作用都无法满足都无法满足水分向上运输的需要，或许还有其他的运输机制。

水分向上运输的需要，或许还有其他的运输机制3、负压强作用、负压强作用通常我们认为压强都是通常我们认为压强都是正的正的，什么是，什么是负压强负压强呢？呢？如图所示的装置，活塞下的容器中充满水如图所示的装置，活塞下的容器中充满水 实验证明，必须对活塞施加实验证明，必须对活塞施加 25 ～～ 300×105 Pa 的压强的压强才能将活塞与水柱分离才能将活塞与水柱分离 显然，这不仅仅有大气压的作用，最主要的作用是液体的内聚力，显然，这不仅仅有大气压的作用，最主要的作用是液体的内聚力，即分子间的作用力液体向内拉周围物体的作用，称为即分子间的作用力液体向内拉周围物体的作用，称为负压强作用负压强作用 正是因为正是因为负压强作用负压强作用，当水分不断从叶片中蒸发出去或参与植，当水分不断从叶片中蒸发出去或参与植物组织中的生化反应时，水分能够从根部源源不断向上供给物组织中的生化反应时，水分能够从根部源源不断向上供给 由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零，因此由于除了碰撞之外气体分子之间相互作用几乎等于零，因此气气体不能产生负压强体不能产生负压强。

在冬季，如果木质部导管中溶液冻结，冰中会产生许多气泡，在冬季，如果木质部导管中溶液冻结，冰中会产生许多气泡，解冻时这些气泡析出会使水柱断裂，从而使木质部导管堵塞而丧失解冻时这些气泡析出会使水柱断裂，从而使木质部导管堵塞而丧失功能§§3.4 3.4 蒸发与凝结蒸发与凝结液态液态气态气态汽化汽化（蒸发和沸腾）（蒸发和沸腾）液化或凝结液化或凝结 令令 n 表示单位时间跑出液体表面的平均分子数，以表示单位时间跑出液体表面的平均分子数，以 n′ 表表示单位时问回到液体中的平均分子数示单位时问回到液体中的平均分子数一、汽化和凝结产生的条件：一、汽化和凝结产生的条件：当当 n > n′时，宏观上则表现为时，宏观上则表现为蒸发蒸发；；当当 n < n′时，宏观上表现为时，宏观上表现为凝结凝结；；当当 n = n′时，则时，则液液-气达到动态平衡气达到动态平衡 （影响蒸发的因素：表面积；温度；通风情况；液体本身性质影响蒸发的因素：表面积；温度；通风情况；液体本身性质影响蒸发的因素：表面积；温度；通风情况；液体本身性质影响蒸发的因素：表面积；温度；通风情况；液体本身性质。

 在在在在敞口容器敞口容器中，逃出液面的蒸汽中，逃出液面的蒸汽中，逃出液面的蒸汽中，逃出液面的蒸汽分子会向远处扩散，分子会向远处扩散，分子会向远处扩散，分子会向远处扩散，有有 n > n′，，直到液直到液直到液直到液体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停体全部转变为蒸汽时，蒸发过程才停止 而在而在而在而在密闭容器密闭容器中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液中，容器内蒸汽的密度不断增大，返回液体的分子数不断增多，体的分子数不断增多，体的分子数不断增多，体的分子数不断增多，当当 n = n′时，液时，液-气达到动态平衡，此气达到动态平衡，此时时的蒸汽称的蒸汽称的蒸汽称的蒸汽称饱和蒸汽饱和蒸汽，由它而产生的压强叫做，由它而产生的压强叫做，由它而产生的压强叫做，由它而产生的压强叫做饱和蒸汽压饱和蒸汽压二、饱和蒸汽压二、饱和蒸汽压饱和蒸汽压是饱和蒸汽产生的分压强饱和蒸汽压是饱和蒸汽产生的分压强 在一定温度下，饱和蒸汽的密度具有恒定的值，饱和蒸在一定温度下，饱和蒸汽的密度具有恒定的值，饱和蒸在一定温度下，饱和蒸汽的密度具有恒定的值，饱和蒸在一定温度下，饱和蒸汽的密度具有恒定的值，饱和蒸汽压与汽压与汽压与汽压与体积的大小体积的大小以及以及以及以及有无其它气体存在有无其它气体存在无关。

无关 对于内聚力较小（容易挥发）的液体，表对于内聚力较小（容易挥发）的液体，表面层内的分子受液体内部作用力较小，饱和蒸汽压较大面层内的分子受液体内部作用力较小，饱和蒸汽压较大三、影响饱和蒸汽压的因素三、影响饱和蒸汽压的因素液体本身的性质液体本身的性质:温度温度: 温度越高，分子无规则热运动越剧烈，表面层的分子温度越高，分子无规则热运动越剧烈，表面层的分子越容易摆脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高越容易摆脱液体的束缚逃出液面，饱和蒸汽压越高液面的弯曲情况液面的弯曲情况: 如图所示如图所示当容器内液体和蒸气达到平衡时当容器内液体和蒸气达到平衡时当容器内液体和蒸气达到平衡时当容器内液体和蒸气达到平衡时, , , , 水平液水平液水平液水平液面上方饱和蒸汽压为面上方饱和蒸汽压为面上方饱和蒸汽压为面上方饱和蒸汽压为 ，，，，而毛细管内而毛细管内而毛细管内而毛细管内弯曲液面上方饱和蒸汽压为弯曲液面上方饱和蒸汽压为弯曲液面上方饱和蒸汽压为弯曲液面上方饱和蒸汽压为 ，，，，液体液体液体液体和饱和蒸汽的密度分别为和饱和蒸汽的密度分别为和饱和蒸汽的密度分别为和饱和蒸汽的密度分别为 和和和和 。

hAB毛细管半径毛细管半径为为r ，接触角为，接触角为θ . hAB则则即即得得 由于由于 ，所以，所以 ，即，即凹形液面上的饱和蒸汽凹形液面上的饱和蒸汽压小于水平液面上的饱和蒸汽压压小于水平液面上的饱和蒸汽压，蒸汽容易发生凝结现象蒸汽容易发生凝结现象如土壤从孔隙空气中吸收大量的水分如土壤从孔隙空气中吸收大量的水分 同理可以证凸液面上的饱和蒸汽压同理可以证凸液面上的饱和蒸汽压 和水平液面上的和水平液面上的饱和蒸汽压饱和蒸汽压 PC 之差的计算公式之差的计算公式凸液面上方饱和蒸汽压较大，蒸汽就不易在凸液面上凝结凸液面上方饱和蒸汽压较大，蒸汽就不易在凸液面上凝结 有时蒸汽压强已超过水平液面上饱和蒸汽压的几倍，仍无法形有时蒸汽压强已超过水平液面上饱和蒸汽压的几倍，仍无法形成液滴这种蒸汽称为成液滴这种蒸汽称为过饱和蒸汽过饱和蒸汽降水的形成降水的形成小水滴小水滴蒸发蒸发凝结凝结大水滴大水滴雨或雪雨或雪凝结核凝结核蒸汽中的蒸汽中的杂质微粒杂质微粒被水润湿被水润湿碘化银、氯化钠、硫化物等碘化银、氯化钠、硫化物等露、雾的形成、防止霜冻的方法。

露、雾的形成、防止霜冻的方法从能量角度解释不润湿从能量角度解释不润湿 对于附着层内任意一分子对于附着层内任意一分子 A ，，当当内聚力大于附内聚力大于附着力着力时，时， A 分子受到的合力分子受到的合力 f ′垂直于附着层指向液体垂直于附着层指向液体内部Af’液体液体固固体体 液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做用力做负功负功（即分子势能增大），附着层内分子势能（即分子势能增大），附着层内分子势能比液体内部分子势能大比液体内部分子势能大 根据根据平衡态势能最小的原则平衡态势能最小的原则，附着层内的分子要尽量挤入液体内，附着层内的分子要尽量挤入液体内（即尽量处于低势能态），结果附着层收缩，表现为（即尽量处于低势能态），结果附着层收缩，表现为液体不润湿固体液体不润湿固体 当当内聚力小于附着力内聚力小于附着力时，附着层内的分子时，附着层内的分子 A 受到的合力受到的合力 f ′ 垂直于附着层指向固体表面垂直于附着层指向固体表面从能量角度解释润湿从能量角度解释润湿Af′液体液体固固体体 液体分子从液体内部运动到附着层内分子间液体分子从液体内部运动到附着层内分子间作用力做作用力做正功正功（即分子势能减小），使得附着层（即分子势能减小），使得附着层内分子势能比液体内部分子势能小。

内分子势能比液体内部分子势能小 液体内部的分子要尽量挤入附着层，结果附着层扩展，表现为液体内部的分子要尽量挤入附着层，结果附着层扩展，表现为液体液体润湿固体润湿固体。