表面张力和表面能.ppt

1、a，1，3.1表面吉布斯自由能和表面张力，表面和界面，界面现象的性质，比表面，色散和比表面，表面功，表面自由能，表面张力，界面张力和温度的关系，影响表面张力的因素，a，2，1，表面和界面，在非均匀体系中，至少有两个具有不同性质的相。当两个阶段共存时，必须有一个接口。可以看出，界面是系统不均匀性的结果。一般来说，它指的是两相接触的厚度为几个分子的过渡区。如果一个相是气体，这个界面通常被称为表面。常见的界面有气液界面、气固界面、液液界面、液固界面和固固界面。严格地说，表面应该是液体和固体及其饱和蒸汽之间的界面，但习惯上称液体或固体和空气之间的界面为液体或固体的表面。a，3，1.1表面和界面，一些解

2、释：1 .严格地说，界面是“边界”而不是“表面”。因为目标界面是物理表面而不是几何表面，所以它是准三维区域。2.目前，有两种模型常用于处理接口：一种是古根海姆模型。处理界面的出发点是界面是一个具有一定厚度的过渡带，是系统中一个独立的界面相。界面相是一个体积和物质都不均匀的区域。该模型能客观反映实际情况，但数学处理复杂。另一个模型是吉布斯相界面模型。该模型认为界面是一个几何表面，而不是物理表面。它没有厚度，没有体积，对于纯成分来说没有物质存在。该模型可以简化界面热力学的处理。常见的接口有：1 .气-液界面，a，5，气-固界面，a，6，表面和界面)，2，3。液-液界面，a，7，表面和界面，4。液-

3、固界面，a，8，表面和界面，5。固-固界面，a，9，2，比表面积，通常用来表示物质的分散程度。有两种常用的表达方法：一种是单位质量固体的表面积；另一个是单位体积的固体表面积。也就是说，在公式中，m和v分别是固体的质量和体积，a是其表面积。目前常用的表面积测量方法有BET法和色谱法。a，10，分散度和比表面积，物质分散成细颗粒的程度称为分散度。一定尺寸的材料分割得越小，分散性越高，比表面积越大。例如，当边长为1cm的立方体1cm3逐渐分成小立方体时，比表面积的增长列于下表中：a，11，分散和比表面积。从表中可以看出，当一个边长为10-2m的立方体被分成边长为10-9m的小立方体时，比表面积增长了

4、一千万倍。可见，纳米量级的超细颗粒具有巨大的比表面积，因此具有许多独特的表面效应，成为新材料和多相催化的研究热点。例如，铂黑电极和多孔电极由于它们的大表面积和小电流密度而具有小的极化；又如，由超细颗粒制备的催化剂由于其高比表面积而具有比普通催化剂更高的催化活性；此外，将药物磨成细粉以提高药效，将金属制成超细颗粒以降低熔点，这些都表明超细颗粒具有独特的表面效应。a，12，示例1。当1g的水分散成半径为m(被认为是球形)的小水滴时，表面积增加了多少倍？解决方案：对于大水滴到小水滴，a，13，3，表面张力和表面自由能，对于单组分体系，这一特性主要来源于同一物质在不同相中的不同密度；对于多组分体系，其

5、特点是界面层的组成不同于任何相的组成。与内部分子相比，表面分子处于不同的环境中。，作用在体相中的分子上的力是对称的，并且所有方向上的力相互抵消(各向同性)；然而，界面层中的分子一方面受到本体相中相同物质分子的影响，另一方面受到另一相中具有不同性质的物质分子的影响，并且它们的力不能相互抵消。因此，界面层中的分子将显示出一些独特的性质，因为它们处于不均匀和对称的力场中。a，14，界面现象的本质，最简单的例子是由液体及其蒸气组成的表面。作用在液体中的分子上的力可以相互抵消，但是表面分子被主体分子拉得比气体分子更强(因为气相的密度低)，所以表面分子被拉进主体相。这个力使表面自动收缩到最小，并使表面层显

6、示出一些独特的性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和等。a，15，界面现象的本质，a，16，表面功，其中比例系数在数值上等于当单位表面积在恒定的温度、压力和组成条件下增加时，系统必须做的可逆非膨胀功。因为表面层分子上的力不同于身体中的力，如果你想把分子从内部移动到界面或者可逆地增加表面积，你必须克服系统中分子之间的力，并为系统做功。当温度、压力和组成不变时，通过dA可逆地增加表面积所需的功称为表面功。该公式表示为：a，17，表面自由能，由此可以得出，考虑到表面功，基本热力学公式中应相应增加dA，即a，18，表面自由能，表面自由能的广义定义，表面自由能的狭义定义，保持温度、压力和组成不变。

7、随着单位表面积的增加，吉布斯自由能的增加称为表面吉布斯自由能，或简称为表面自由能或表面能，用符号或Jm-2表示。保持相应的特征变量不变，并在增加单位表面积时增加相应的热力学函数值。表面自由能。由于u、h、a、g、s和v都是宽度量，从上述公式可以得出，a，20，表面自由能模型，是表征表面性质的物理量。表面自由能模型1。如果在等温、等压和恒定组成条件下积分微分公式，可以看出上述两个公式实际上是等价的。另一方面，当不考虑界面贡献时，我们可以比较两个公式，a，21和表面自由能模型。可以看出，表面自由能是单位表面自由能相对于本体相自由能的过剩。这就是为什么它被称为比表面积过剩自由能。2.如果采用吉布斯界

8、面模型，系统为纯液体。可以看出，对于纯液体，它是单位面积等效表面积的自由能。a，22，表面张力，在两相(特别是气-液)的界面上有一种张力，它垂直于表面的边界，指向液体的方向并与表面相切。将一个带有活动框架的金属丝框架放入肥皂溶液中，然后将其取出，用下面的活动边缘将其悬挂。由于金属框架上肥皂膜的表面张力，滑动边缘将被拉至顶部。作用在单位边界线上的力称为表面张力，用g表示，单位为Nm-1。a，23，表面张力，如果重物悬挂在可移动的框架上，使得由重物W2和框架W1产生的重力f (f=(W1 W2) g)在大小上相等，并且在方向上与总表面张力相反，则线将不再滑动。此时，l是滑动边缘的长度。因为膜有两个

9、面，边界的总长度是2l，这是作用在单元边界上的表面张力。a，24，表面张力，a，25，表面张力，如果一个线圈系在金属线架的中间，将它们一起浸入肥皂液中，然后取出它们，在它们上面形成一层液膜。(a)、(b)，因为以线圈为边界的两侧表面张力大小相等，方向相反，线圈可以在液膜上以任何形状移动，如图(a)所示。如果线圈中心的液膜被刺破，线圈的内部张力消失，外表面张力立即将线圈拉伸成圆形，如图(b)所示，这清楚地表明表面张力的存在。a，26，表面张力，(a)，(b)，a，27，界面张力与温度的关系，界面张力随着温度的升高而降低，当达到临界温度Tc时，界面张力趋于零。这可以用热力学公式来解释，因为，利用总

10、微分的性质，我们可以得到方程的左边是正的，因为熵总是随着表面积的增加而增加。因此，它随着t，a，28，表面熵和表面总能量的增加而减少，表面熵是指在等温等压下，当一定量的液体增加单位表面积时熵的增加。上述公式表明，难以用实验测量的表面熵可以用实验测量的量来获得。众所周知，一般液体的表面张力温度系数是负的，所以表面熵一般应该是正的。这可以看作是分子从液体内部向表面的迁移。由于分子间作用力的减小，当分子排列由有序变为无序时，熵将增加。换句话说，表面熵的正值可以理解为表层疏松的结果。a，29，表面熵和表面总能量，指在恒定的温度和压力下，单位面积增加时，系统内部能量的增量。也就是说，根据公式(1-13)

11、，对于吉布斯界面，因此有，a，30，表面熵和表面总能量。显然，上述公式右侧的第一项和第二项分别代表单位表面积膨胀的可逆功和可逆热。当膨胀表面时，有必要吸收热量以保持系统温度恒定。在绝热过程中，必须通过扩大表面来降低温度。因为右边的两个项都是正值，所以曲面总是大于它的表面自由能。如果与热力学第一定律相比，表面总是表面功和表面热的总和。a，31，界面张力与温度的关系，拉姆齐和希尔兹的经验公式为：Vm2/3=k(Tc-T-6.0)，其中Vm为摩尔体积，k为普适常数，k=2.210-7 JK-1为非极性液体。a，32，影响表面张力的因素，(1)分子间相互作用力的影响，(2)温度的影响，温度的升高和表面

12、张力的降低。(3)在压力的影响下，表面张力一般随着压力的增加而降低。随着压力的增加，气相密度增加，表面分子的不均匀性略有改善。此外，如果气相中有其他物质，压力会增加，这促进了表面吸附、气体溶解度和表面张力的增加。对于纯液体或固体，表面张力取决于分子间形成的化学键能。一般来说，化学键越强，表面张力越大。(金属键)(离子键)(极性共价键)(非极性共价键)，两种液体之间的界面张力介于两种液体的表面张力之间。一般来说，压力对表面张力的影响可以从以下三个方面来考虑：磷增加，两相之间的密度差减小，磷减少，气体在液体表面的吸附降低了表面能(吸附放热)，因此降低磷增加，气体在液体中的溶解度增加，表面能降低。这

13、可以用气体吸附或溶解来解释，但在其他情况下，磷会不断增加。显然，这与上面的解释相反。可以看出，压力对表面张力的影响相当复杂，因为必须引入第二组分(如惰性气体)来增加压力，而第二组分通常通过吸附或溶解来影响表面张力。当第二部分的吸附或溶解对表面张力的影响远远超过压力本身的影响时，通常是第一种情况，而当吸附或溶解的影响很小时，表面是第二种情况。a，35，IV .表面自由能和表面张力的微观解释。因为表面相分子处于不对称力场中换句话说，为了增加液体的表面积，一定数量的内部分子必须迁移到表面，并且为了完成这个过程，必须使用外力来做功。因此，系统获得的能量是表面过剩自由能。可以看出，形成界面的两相的不同性

14、质和分子中的相互作用力是产生表面自由能的原因。a，36，表面自由能和表面张力的微观解释。为什么液体表面会有张力是一个困扰表面化学家很长时间的问题。事实上，表面张力也是分子间相互作用的结果。根据液体表面的特性，表面上的分子比本体相中的分子具有更高的能量，并且根据分子分布规律，表面上的分子密度将小于内部的分子密度。因此，表面上分子之间的距离很大，所以沿着表面方向有横向吸引力。当距离很大时，吸引力占主导地位。曲面下的附加压力和蒸汽压，杨-拉普拉斯公式，开尔文公式，曲面下的附加压力，1。在液面的平面图、剖面图和正视图上，以直径为AB的圆环为边界，由于圆环上每个点的两侧都有表面张力，大小相等，方向相反，

15、所以没有附加压力。假设向下的大气压力是，向上的反作用力也是，附加压力等于零。Ps=Po-Po=0，a，39，曲面下的附加压力，(2)凸面上：截面图，附加压力示意图，研究以弦长为边界的球面上的环。因为环上每个点两侧的表面张力都与液体表面相切，并且其大小相等，但不在同一平面上，所以会产生向下的合力。所有点产生的总压力为Ps，称为附加压力。凸面上的总压力为：Po Ps Po为大气压力，Ps为附加压力。(3)凹曲面上：以AB为弦长的球面凹曲面上的环作为边界进行研究。因为环上每个点两侧的表面张力与凹面液体表面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以会产生向上的合力。所有点产生的总压力为Ps，称为附加压力。

16、凹面上的总向下压力为Po-Ps，因此凹面上的压力小于平面上的压力。a，41，杨-拉普拉斯公式。1805年，杨-拉普拉斯推导出附加压力与曲率半径之间的关系：特殊公式(球面):根据数学规定，凸面曲率半径取正值，凹面曲率半径取负值。因此，凸面的附加压力指向液体，凹面的附加压力指向气体，即附加压力总是指向球面的中心。通式：a，42，杨-拉普拉斯通式的推导，1。在任何弯曲的液体表面上取一个小的矩形曲面ABCD(红色曲面)，它的面积是xy。曲面边缘上的圆弧和圆弧的曲率半径分别为和。2.制作表面的两个垂直法线部分，相交线Oz是0点的法线。3。使表面沿法线方向dz移动，并使表面扩展到ABCD(蓝色表面)，然后X和Y将分别增加dx和d Y。a，43，杨-拉普拉斯通式的推导，a，44，杨-拉普拉斯通式