10.1表面张力.ppt

1 第十章界面现象 6 自然界中物质的存在状态 气液固 10 0前言 界面与表面 1 界面 两相之间的接触面 2 表面 两相中若有一相是气相 则形成的界面为表面 气相通常是真空 空气或物质本身的饱和蒸气 特征 几个分子厚 1 10nm结构与性质与两侧体相均不同 界面不是几何平面 界面有一定的厚度 所以有时又称界面为界面相 1 汞在光滑的玻璃上呈球形 在玻璃管中呈凸液面 水在光滑的玻璃上完全铺展 在玻璃管中呈凹液面 润湿现象2 水在玻璃管中上升 汞在玻璃管中下降 毛细现象3 液体的过冷过热 蒸气的过饱和现象 亚稳状态4 微小液滴更易蒸发 微小的晶体更易溶解5 固体表面会自动吸附其它物质 2 界面现象 表面现象 总表面积314 16m2 分成1018个 表面积 3 1416 10 4m2 当物质被高度分散时 界面相与体相相比不可忽略 界面的作用很明显 例如 3 分散程度与比表面积 1 比表面积as 单位质量的物质所具有的表面积 单位 m2 kg 1 2 在处理高分散度物质时 若不考虑其界面的特殊性 将会导致错误的结论 活性炭比表面可达到1000 2000m2 g 1 一些多孔物质如 硅胶 活性炭等 也具有很大的比表面积 11 10 1界面张力 一 液体的表面张力 表面功及表面吉布斯函数 2007年11月23日 英国伦敦博物馆 SamHeath 右 又被称为泡泡人Samsam 用一个巨大的肥皂泡将50名学生罩起来 2008 8月17日中午 长沙市第七中学科学馆 一只巨大的肥皂泡将60余名学生圈在一只五彩斑斓的肥皂泡中 这次的巨型泡泡使用了近600斤肥皂水和一个长6米宽3米的道具 物质表面层的分子所处的力场是不均衡的 液体内部的分子其所受合力为零 表面层分子受到指向液体内部的合力 分子间净吸引力 导致液体表面具有自动缩小的趋势 扩展表面要作功 产生的原因 作用结果 1 表面功及表面吉布斯函数 比 表面功 使系统增加单位表面所需的可逆功 J m 2 表面功 以液 气组成的系统为例 若将体相中的分子可逆移到液体表面以扩大液体的表面积 则必须由环境对系统作功 这种为扩大液体表面所作的功称为表面功 恒温 恒压时 恒温恒压下 增加单位表面时系统所增加的Gibbs函数 单位 J m 2 在20 时 将0 001kg的球形水滴分散成直径为2nm的小水滴 1 求分散前后水滴的表面积和比表面并进行比较 2 系统吉布斯函数增大多少 已知20 时 水的密度 1000kg m 3 72 75 10 3N m 1 解 1 0 001kg的球形水滴 1 10 6m3 设其半径为r1 r1 0 62 10 2m 将0 001kg水滴分散成直径为2nm即半径1 10 9m的小水滴 其个数为 每个小水滴的面积为 总面积 比表面之比为 2 G A 72 75 10 3 3 01 103 0 483 2 19 102J 1987年3月15日 哈尔滨亚麻纺织厂发生猛烈爆炸 爆炸首先发生在地下约12米深的除尘室 安装在里面的十余吨重的机器被巨大的气浪冲上地面 与其相关地面建筑如电动换气室 变电所等全部摧毁 爆炸顺着几百米的地下通道扩展 凡是所能触及的一切瞬间都遭到残酷的破坏 连成一片的36000平方米厂房 被炸毁9500平方米 268台机器设备遭毁损 54人丧生 1821人受伤 事后查明原因 是亚麻粉尘爆炸 世界上第一次有记载的粉尘爆炸发生在1785年意大利的一个面粉厂 2010年02月25日河北秦皇岛粉尘爆炸事故致19人死49 解释 为什么小液滴会成球形 在无重力下 此现象更为明显 例太空舱中水球 太空舱中会出现篮球般的大水球 每位飞行员轮流传递 各咬一口后 篮球会逐渐收缩为排球 足球 垒球的大小 但总是呈现球形 例2 水的比表面自由能与摄氏温度t 的关系式为 10 3N m 1 75 64 0 14t 若水的表面改变时 总体积不变 试求10 p 下 可逆地使水表面积增加5cm2 必需做多少功 从外界吸收多少热 解 t 10 环境做功为正 则 如图在金属框上形成肥皂膜 若施加作用力F可逆地使金属丝左移dl 2 液体的表面张力 则液面增加dAs 2Ldx 对系统做功 引起表面收缩的单位长度上的力 单位 N m 1 方向 对于平液面是沿着液面并与平液面平行 对于弯曲液面则与液面相切 表面张力是垂直作用于表面上单位长度的收缩力 表面张力是使液体表面缩小的力 在金属丝环上系一丝线圈 将金属丝环和丝线圈一起浸入肥皂液中 然后取出 环中就形成一层肥皂液膜 丝线圈在金属环中呈显从肥皂水中取出时的偶然形状 如图 a 如果用烧热的铁针将丝线圈内的液膜刺破 比 表面功 表面张力 1N m 1N m m2 1J m2 比 表面吉布斯函数 三者物理意义不同 但量值和量纲等同 单位均可化为 N m 1 高度分散系统的热力学基本方程 dU TdS pdV dH TdS Vdp dA SdT pdV dG SdT Vdp BdnB dA BdnB BdnB BdnB dA dA dA 二 热力学公式 0自发 恒T p 恒组分下积分 有 可知自发降低表面自由焓有两种途径 降低表面积降低表面张力 若容器内油与水混合 虽用力振荡 但静置后 仍会自动分层 毛笔在水中散开 空气中合拢 三 表面张力及其影响因素 1 与物质的本性有关 分子间相互作用力越大 越大 例 气 液界面 金属键 离子键 极性键 非极性键 2 与接触相的性质有关 同一物质 固体 液体 33 温