界面能及界面张力ppt课件.ppt

材料成形界面工程 InterfacialEngineeringinMaterialsProcessing 界面能及界面张力 2 2 1界面能及界面张力2 2固体表面能与表面张力 2 0表面现象 1 表面现象 为什么膜会被拉得很大而不破裂 2 0表面现象 1 表面现象 可见 液体表面会形成一层膜 为什么这只蜥蜴能在水上行走 为什么蛛网上的水珠呈球状 界面能及界面张力 2 1 2 1界面能及界面张力 1 界面现象本质 表面层分子与内部分子相比 它们所处的环境不同 2 1界面能及界面张力 1 界面现象本质 例 液体及其蒸气组成的表面 液体内部分子所受的力可以彼此抵销 表面分子受到体相分子的拉力大 受到气相分子的拉力小 因为气相密度低 所以表面分子受到被拉入体相的作用力 这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势 并使表面层显示出一些独特性质 表面张力 表面吸附 毛细现象 过饱和状态等 2 1界面能及界面张力 2 比表面 SpecificSurfaceArea 比表面通常用来表示物质分散的程度 有两种常用的表示方法 目前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法 一种是单位质量的固体所具有的表面积 一种是单位体积固体所具有的表面积 式中 m和V分别为固体的质量和体积 A为其表面积 2 1界面能及界面张力 3 分散度 把物质分散成细小微粒的程度称为分散度 物质分割得越小 则分散度越高 比表面也越大 当将边长为10 2m的立方体分割成10 9m的小立方体时 比表面增长了一千万倍 例如 把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方体 比表面如下表 边长l m 立方体数 比表面Av m2 m3 1 10 216 102 1 10 3 103 6 103 1 10 51096 105 1 10 7 1015 6 107 1 10 96 109 1021 可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积 因而具有许多独特的表面效应 成为新材料和多相催化方面的研究热点 2 1界面能及界面张力 4 表面功 surfacework 由于表面层分子的受力情况与本体中不同 因此如果要把分子从内部移到界面 或可逆的增加表面积 就必须克服体系内部分子之间的作用力 对体系做功 式中 或 为比例系数 它在数值上等于当T P及组成恒定的条件下 增加单位表面积时所必须对体系做的可逆非膨胀功 温度 压力和组成恒定时 可逆地使表面积增加dA所需要对体系作的功 称为表面功 用公式表示为 W dA 2 1界面能及界面张力 5 表面自由能 surfacefreeenergy 考虑了表面功 热力学基本公式中应相应增加 dA一项 即 dU TdS PdV dA BdnBBdH TdS VdP dA BdnBBdF SdT PdV dA BdnBBdG SdT VdP dA BdnBB A S V nB U A S P nB H T V n AB F A T P nB G 由此可得 2 1界面能及界面张力 5 表面自由能 surfacefreeenergy 广义的表面自由能定义 保持相应的特征变量不变 每增加单位表面积时 相应热力学函数的增值 狭义的表面自由能定义 p T n AB G 保持温度 压力和组成不变 每增加单位表面积时 Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能 或简称表面自由能或表面能 用符号或表示 单位为J m 2 2 1界面能及界面张力 6 表面张力 surfacetension 在两相 特别是气 液 界面上 处处存在着一种张力 它垂直于表面的边界 指向液体方向并与表面相切 将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中 然后取出悬挂 活动边在下面 由于金属框上的肥皂膜的表面张力作用 可滑动的边会被向上拉 直至顶部 2 1界面能及界面张力 6 表面张力 surfacetension 在两相 特别是气 液 界面上 处处存在着一种张力 它垂直于表面的边界 指向液体方向并与表面相切 如果在活动边框上挂一重物 使重物质量W2与边框质量W1所产生的重力F F W1 W2 g 与总的表面张力大小相等方向相反 则金属丝不再滑动 F 2 l l是滑动边的长度 因膜有两个面 所以边界总长度为2l 就是作用于单位边界上的表面张力 2 1界面能及界面张力 6 表面张力 surfacetension 如果在金属线框中间系一线圈 一起浸入肥皂液中 然后取出 上面形成一液膜 由于以线圈为边界的两边表面张力大小相等方向相反 所以线圈成任意形状可在液膜上移动 如果刺破线圈中央的液膜 线圈内侧张力消失 外侧表面张力立即将线圈绷成一个圆形 清楚的显示出表面张力的存在 2 1界面能及界面张力 6 表面张力 surfacetension 实验一 思考 缝衣针停在水面 1 液面对缝衣针的作用就是液体的表面张力吗 2 如果不是 液体的表面张力在液面到底是怎样作用的 方向又是怎样的 结论 液体表面对缝衣针有力的作用 2 1界面能及界面张力 6 表面张力 surfacetension 20 时一些液体的表面张力 固体表面能及与表面张力 2 2 2 2固体表面能与表面张力 1 固体表面的特点 固体表面的粗糙性 固体表面的不完整性 固体表面的不均匀性 固体表面凸凹不平 影响表面吸附 表面催化 表面烧结等 由表面粗糙和不完整性导致的结果 2 2固体表面能与表面张力 2 固体的表面张力 与表面能G 在一定温度压力下形成固体表面面积为A时 体系的吉布斯函数增量为 d AGs 它等于反抗表面张力所需的可逆功 d AGs sdA AdGs GsdA sdA 或 ss G A Gs A 对于液体而言 Gs A 0 因为液体分子瞬间移动到平衡位置 因此 固体新表面形成后 在表面层分子没有达到平衡位置之前 G 或者说 固体的表ss面张力和表面能通常是不相等的 而对液体则是相等的 2 2固体表面能与表面张力 3 固体表面能的测定 1 解理功法 2 零蠕变法Gs 2 rl B n r BB2 BB B B l r l l Gs 2 l r 2n r 2 r B r2n G s r BBl l mg 零蠕变时 推导得 原理 表面张力的收缩力与重力平衡 mg 2 2固体表面能与表面张力 3 固体表面能的测定 3 角接触法 sg lgcos ls 2 2固体表面能与表面张力 4 影响固体表面能的因素 上面所讨论金属表面能的研究方法 仅适用于最简单的理想化的晶体模型 单晶体 实际晶体的表面能受着多种因素的影响 情况是很复杂的 影响固体表面能的因素 除了与晶体类型 晶面取向 表面吸附物及温度以外 还与晶体是否含有杂质 缺陷 表面粗糙程度等有关 另外 还与晶体成型的条件有关 因此 固体 特别是金属 的表面能数据较少 2 2固体表面能与表面张力 5 固体表面能的计算 GS sg 1 2 lg