第八章 表面现象与分散系统 - 上课资料

➢ 的物理意义：定温定压组成不变的条件下，系统
增大1m2表面积时环境所作的表面功，即1m2表面上 的分子比同数量的内部分子多出的吉布斯自由能
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
在表面热力学中，W´为表面功
比表面Gibbs函数
dU TdS pdV
BdnB dA
统的表面积时所作的非体积功 W´
➢ 计算：等T、p、组成时，可逆增大面积dA，则
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W ' dA
比例系数
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
二、表面能 (Surface energy or Specific surface energy)
W ' dA dGT,P 比表面能 (G A)T,p,n J.m-2
U
A S ,V ,nB ,nC ,
dH TdS Vdp
BdnB dA
H
A S , p,nB ,nC ,
dA SdT pdV
BdnB dA
( A)
A T ,V ,nB ,nC ,
dG SdT Vdp BdnB dA
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G
表面（界面）现象
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第八章 表面现象与分散系统
界面化学
Interface chemistry
研究相界面的物理化 学规律及体相与表相 的相互影响关系的一 门学科。
胶体化学
Colloid chemistry
研究具有巨大相界面 胶体分散体系物理化 学性质的一门科学。
➢ 实用性强 应用广泛
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8.2 纯液体的表面现象
自由液滴或气泡通常为何都呈球形 ？ 1、假若液滴具有不规则的形状，则在表面上的不同 部位曲面弯曲方向及其曲率不同，所具的附加压力的方 向和大小也不同，这种不平衡的力，必将迫使液滴呈现 球形
2、相同体积的物质，球形的表面积最小，则表面总的 Gibbs自由能最低，所以变成球状就最稳定
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8.2 纯液体的表面现象
二、曲率对蒸气压的影响-----Kelvin eq.
( )T: 1mol液体
p
p
p’
pr
p' p
pr p p
20℃ /Nm-1
H2O(l) C6H6(l) CCl4(l) 0.0728 0.0289 0.0269
(H2O- C6H6) (H2O-CCl4)
0.0326 0.045
(G A)T,p,n
对一指定的液体， ＝f（T，p）
(2) T ：T↑，l-g差异↓， ↓ (3) p：p↑， ↓
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
例1： 20℃，p下，将1kg水分散成10-9m半径的小水滴需
做功多少？已知 =0.0728 Nm-1, =1000 kgm-3
解： Wr’ = A = (A2 – A1) A2 = n 4 r 2
而 1kg = n × ( 4/3r3 ) n = 2.4 1023个
3
A 4 r 2
dV 4 r 2dr
2
dA 8rdr
p 拉普拉斯公式 r
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8.2 纯液体的表面现象
任意弯曲表面下的附加压力
杨-拉普拉斯（Young-Laplace）方程式
p ( 1 1 )
R1 R2
对于球面，R = R1 = R2
p 2
R
式中R：曲率半径
Wr’ =310-3/r =218 kJ
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8.2 纯液体的表面现象
一、弯曲液面的附加压力
对活塞稍加压力，将毛细管内液体压出少许
p’ p p
使液滴体积增加dV
表面积增加dA
克服附加压力∆p所作的功等于 可逆增加表面积的Gibbs自由能
pdV dA
p
p
r
V 4r3
＝F上dx (可逆)
＝ (2l)dx ＝ dA
即 dA＝ dA
＝
与: 意义和单位不同、数值和量纲相同的物理量
其他界面张力： s-g， l-l ， s-l ， s-s
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
影响表面张力的因素
（1）物质的种类及共存相的种类（性质）
R越大，p越小；平面时R，p=0
注意：
1.不管是凸液面，还是凹液面，附加压力的方向总是指向球心，
即球内的压力一定大于球外的压力；
2. 液膜（肥皂泡）p=4/r
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8.2 纯液体的表面现象
p p
AB
p
P 0
AB
p
p p
来自百度文库
p凸 p p
p p
AB
p p p凹 p p
➢ 科研活跃
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表面和界面(Surface and interface)
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区。若其中
一相为气体，这种界面通常称为表面。
1.气-液界面 2.气-固界面 3.液-液界面 4.液-固界面 5.固-固界面
空气
Hg Cr镀层液-固界面
H2O
A T , p,nB ,nC ,
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
表面张力 N m1
物理意义：在相界面的切面上， 垂直作用于表面上任意长度单位 切线的表面紧缩力。
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
表面张力与比表面能的关系
l 膜
dx
F
W´ ＝ Fdx (环境作功)
分子倾向于钻入液体内部 ➢ 能量：
将一个内部分子移动到表面上，环境要克服不对称力
场而作功。 (表面分子) > (内部分子)
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
2. 表面功 ➢将内部分子移至表面，环境作功。
结果:(1)分子能量增加；(2)系统A↑，因此称“表面功” ➢ 定义：在等温等压定组成的条件下，可逆地增大系
气-液
HC2uO铁SO管4
溶液
Hg
气-固界面界面
液-液 固-固界面界面
玻璃板
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8.1 表面吉布斯函数与表面张力
一、表面功 (Surface work)
1. 表面分子的特殊性
蒸气
F≠0
➢受力：
内部分子：热运动不需要做功 液体
f=0
表面分子：不对称力场
表面分子与内部分子能量不同