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1、2023/4/201.1 1.1 表面张力与表面能表面张力与表面能固气(固气(S-g)固液(固液(S-l)固固(固固(S-S)液气(液气(l-g)液液(液液(l-l)按物质聚集状态,界面可分为五类:按物质聚集状态,界面可分为五类:界面界面:相邻两相的界面区域。:相邻两相的界面区域。一般厚度在一个分子以上。若一般厚度在一个分子以上。若两相中一相为气相则称此界面两相中一相为气相则称此界面为为表面表面第1页/共51页2023/4/20表面层分子受力分析表面层分子受力分析界面分子与相内分子所处的环境不同相内分子 所受合力为零表面分子 所受合力不为零,且 指向液体内部,称净吸力。以气-液界面为例从力的角
2、度分析 表面分子趋向进入体相内部,致使表面处处有一种紧缩力。液体表面最基本的特性是倾向于收缩,如常见的水银珠和荷叶上的水珠那样。1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能第2页/共51页2023/4/20由于净吸力的存在,体相分子要转移到表面,必须克服净吸力,需要外界提供非体积功W,因此表面层分子比体相分子有额外的势能量。1.非体积功W称为表面功,是恒温、恒压和组成恒定时可逆地增加单位表面积需做的可逆非体积功。2.根据热力学理论:在T、P及组成恒定时,环境所做的可逆非体积功,在数值上等于系统吉布斯函数增加值。所以系统表面扩展时,系统得到的表面功应等于吉布斯函数增加值。表面能表面能Surfac
3、e Energy1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能第3页/共51页2023/4/20又称为(比)表面吉布斯函数或称为表面自由能(表面能)1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能表面能表面能1.恒温、恒压,可逆地增加单位表面积所引起的系统Gibbs自由能的增加值。注意:注意:2.单位面积的表面层分子比等量体相分子额外多出的能量,是相对过剩量。3.产生根源净吸力。4.单位Jm-2第4页/共51页2023/4/20从力的角度看,表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面收缩力。典型事例1如果在金属线框中间系一线圈,一起浸入肥皂液中,
4、取出后,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。Surface Tension1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能表面张力表面张力Interfacialtension第5页/共51页2023/4/20典型事例21.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能从力的角度看,表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面收缩力,称为表面张力。表面张力表面张力设平衡力F=mg,若l为边
5、框长度,行程dx,则面积变化dA=2 l dx。力学:表面能:肥皂膜肥皂膜Fl第6页/共51页2023/4/20单位为:Nm-1;方向与液面平行或相切使液面收缩;对于平液面,方向与液面相平行;对于弯曲液面,方向与液面相切。注意是沿着与表面(球面)相切或与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面上单位长度的表面收缩力。表面张力是界面化学中最重要的物理量。1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能Surface Tension第7页/共51页2023/4/20表面功恒温、恒压和组成恒定时可逆地增加表面积需做的可逆非体积功.从能量角度分析若将体相中的分子移到液体表面以扩大液体的表面积,则必须由环境对
6、系统做功。比表面功比表面功()1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能第8页/共51页2023/4/20物理意义界面张力等于恒温恒压各相中各物质的物质的量不变,增加单位界面积所引起的系统吉布斯函数增加值,又称为表面过剩吉布斯函数。(单位为)定义1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能表面能(表面吉布斯函数)、表面张力。不同点:1、描述的角度不同,一个是能量概念,一个力的概念。2、单位不同,虽然量纲一样。3、表面张力是向量,表面能是非向量。第9页/共51页2023/4/20表面张力的影响因素表面张力的影响因素液-液界面的界面张力取决于两种液体,界面张力居中。水-汞:415mN.m-1,水
7、-苯:35mN.m-1分子间力或化学键力越大,界面张力越大;表面张力与物质的本性有关固体的界面张力一般较液体大;1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能相界面的界面张力取决于两相物质的特性。第10页/共51页2023/4/20温度对界面张力的影响一般情况下,温度升高,表面张力下降,临界温度处表面张力趋向于0。这是由于随温度升高,液体膨胀,分子间距变大,分子间引力变小,净吸力变小;同时,气相的密度变大,气相分子对表面分子引力增加,净吸力下降。但是,个别情况随温度升高而增大。表面张力的影响因素表面张力的影响因素1.11.1表面张力与表面能表面张力与表面能压力及溶质等因素的影响一般随压力增加而下
8、降(原因比较复杂),随压力增加,气相密度增加,同时气体分子更多地被液面吸附,并且气体在液体中溶解度也增大,以上三种效果均使下降。第11页/共51页1.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象平液面平液面弯曲液面弯曲液面第13页/共51页2023/4/201.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象弯曲液面 可呈凸液面,也可呈凹液面,如水中气泡。实验弯曲液面存在附加压力;附加压力与曲率半径及必有一定的定量关系。第14页/共51页1.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象 由于表面张力的作用,在弯曲液面两侧形成的由于表面张力的作用,在弯曲液面两侧形成的气、液相压力差称为弯曲液面的气、液相压力差称为弯曲液面的
9、附加压力。附加压力。ABpsp0p=p0+ps凸面凸面ABpsp0p=p0-ps凹面凹面第15页/共51页1.2 1.2 弯曲液面现象弯曲液面现象1、附加压力、附加压力弯曲液面两侧的压力差弯曲液面两侧的压力差由于表面张力的作用,在弯曲液面两侧形成的气、液由于表面张力的作用,在弯曲液面两侧形成的气、液相压力差称为弯曲液面的相压力差称为弯曲液面的附加压力附加压力,以,以pp表示,定表示,定义:义:p pp pl l-p-pg g式中,式中,p pl l和和p pg g分别为弯曲液面的液相一侧和气相一分别为弯曲液面的液相一侧和气相一侧所承受的压力。侧所承受的压力。定义外气体内液体第16页/共51页图
10、中图中p p0 0为外压为外压平液面平液面:p p=0=0凸液面凸液面:p p=p pl l-p-pg g 00 其附加压力指向液体内部其附加压力指向液体内部凹液面凹液面:p p=p pl l-p-pg g 0 0;凹液面,p S S0,即对于小颗粒的胶粒溶液未饱和,小颗粒会溶解,半径更小;对于大颗粒的胶粒,溶液过饱和,溶质在大颗粒表面析出,颗粒变大。因此,随着时间的延长,小粒子消失了,大颗粒增多了,胶体的平均粒径变大,称为Ostwald熟化现象熟化现象(Ostwald Ripening)。第44页/共51页2023/4/20(1)毛细管上升法表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3
11、 表面张力测定表面张力测定第45页/共51页2023/4/20表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定(2)最大气泡压力法当r气泡r毛细管时,r最小,p有最大值第46页/共51页2023/4/20表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定(3)滴重量(体积)法平衡时:理想情况第47页/共51页2023/4/20表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定(4)吊环(片)法常用吊片:铂金、云母、玻璃需打毛,以提高润湿效果。第48页/共51页2023/4/20表面张力的测定方法表面张力的测定方法1.3 1.3 表面张力的测定表面张力的测定(5)旋转滴法(6)静止液滴形状法悬滴/躺滴赵海龙,刘大顺,陈效鹏,一种基于数字图像的表面张力测量方法悬滴法,实验力学,2010年1期,pp100-105.对于液体中形成的气泡,也类似。第49页/共51页2023/4/20谢谢!第50页/共51页感谢您的观看!第51页/共51页
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