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表面张力和表面能 课件
膜的透过性能和抗污染性能。
在大气污染控制中，表面张力用于颗粒 物的沉降和去除，从而降低大气中的颗 粒物浓度。例如，在湿法脱硫中，表面 张力用于控制液滴的粒径和分布，从而
提高脱硫效率。
THANKS
感谢观看
表面张力的物理意义
表面张力是液体表面所具有的 一种特性，它反映了液体表面 分子间相互作用的强弱。
表面张力决定了液体表面的形 状、大小以及液滴的形状和稳 定性。
表面张力在许多物理现象中起 着关键作用，如毛细现象、润 湿现象、气泡形成和破裂等。
表面张力的影响因素
温度
温度升高，表面张力降低；温 度降低，表面张力增大。
阳能电池板的效率。
在燃料电池的液态水管理中，表 面张力用于控制水分的分布和迁 移，从而影响燃料电池的性能和
寿命。
在环境保护中的应用
表面张力和表面能在环境保护中也有着 重要的应用，如水处理、大气污染控制
、土壤修复等。
在水处理中，表面张力用于控制水的表 面张力，从而提高水处理的效率。例如 ，在超滤膜过滤中，表面张力用于控制
在石油工业中，表面张力用于油水分离、油泥清洁等，以提高采收率和 生产效率。
在化学工业中，表面张力用于化学反应的速率控制、化学物质的分离和 提纯等。
在能源开发中的应用
表面张力在能源开发中也有着重 要的应用，如太阳能电池板的清 洗、燃料电池的液态水管理、核
反应堆的冷却剂管理等。
在太阳能电池板的清洗中，表面 张力起着重要作用，清洗剂的选 择和清洗工艺的优化可以提高太
物质种类
不同物质具有不同的表面张力 ，同一物质在不同温度和压力 下也具有不同的表面张力。
压力
压力对表面张力影响较小，但 在高压下也会引起表面张力的 变化。
在大气污染控制中，表面张力用于颗粒 物的沉降和去除，从而降低大气中的颗 粒物浓度。例如，在湿法脱硫中，表面 张力用于控制液滴的粒径和分布，从而
提高脱硫效率。
THANKS
感谢观看
表面张力的物理意义
表面张力是液体表面所具有的 一种特性，它反映了液体表面 分子间相互作用的强弱。
表面张力决定了液体表面的形 状、大小以及液滴的形状和稳 定性。
表面张力在许多物理现象中起 着关键作用，如毛细现象、润 湿现象、气泡形成和破裂等。
表面张力的影响因素
温度
温度升高，表面张力降低；温 度降低，表面张力增大。
阳能电池板的效率。
在燃料电池的液态水管理中，表 面张力用于控制水分的分布和迁 移，从而影响燃料电池的性能和
寿命。
在环境保护中的应用
表面张力和表面能在环境保护中也有着 重要的应用，如水处理、大气污染控制
、土壤修复等。
在水处理中，表面张力用于控制水的表 面张力，从而提高水处理的效率。例如 ，在超滤膜过滤中，表面张力用于控制
在石油工业中，表面张力用于油水分离、油泥清洁等，以提高采收率和 生产效率。
在化学工业中，表面张力用于化学反应的速率控制、化学物质的分离和 提纯等。
在能源开发中的应用
表面张力在能源开发中也有着重 要的应用，如太阳能电池板的清 洗、燃料电池的液态水管理、核
反应堆的冷却剂管理等。
在太阳能电池板的清洗中，表面 张力起着重要作用，清洗剂的选 择和清洗工艺的优化可以提高太
物质种类
不同物质具有不同的表面张力 ，同一物质在不同温度和压力 下也具有不同的表面张力。
压力
压力对表面张力影响较小，但 在高压下也会引起表面张力的 变化。
表面张力和表面能 课件
表面张力和表面能的应用
表面张力在生活中的应用
01
02
03
露珠呈球形
由于表面张力，水滴在荷 叶或树叶上呈球形，不易 散开。
气泡形成
在洗衣服、洗碗时，表面 张力使气泡在水中形成并 保持。
防水表面
表面张力可以用于创造防 水表面，如荷叶的自洁效 应。
表面能在工业中的应用
涂层附着
表面能的大小影响涂层与 基材的附着力，选择合适 的涂层材料和工艺可以提 高附着力。
表面能与物质性质的关系
物质性质对表面能的影响
物质的化学性质、晶体结构、分子间作用力等都会影响其表 面能。例如，极性分子具有较大的表面能，因为它们具有更 强的分子间相互作用力。
表面能的应用
在化学、物理、工程等领域中，表面能具有广泛的应用，如 润湿现象、自组装单层膜、晶体生长等都与表面能密切相关 。
04
力等因素有关。
表面能
表面能是固体表面的能量，它是 由于固体表面原子或分子的排列 不规整而引起的。表面能的大小 与表面的粗糙度、化学组成、温
度等因素有关。
实验方法
通过测量液体在固体表面上展开 的角度或测量液体在固体表面上 的接触角，可以计算出表面张力
和表面能。
实验步骤
准备实验器材
测量液体在固体表面上的接触角
表面张力计、表面能计、待测液体和固体 样品等。
将待测液体滴在固体表面上，观察液滴的 形状，并测量接触角。
计算表面张力和表面能
分析实验结果
根据接触角的大小，利用相关公式计算出 表面张力和表面能。
分析实验结果，了解表面张力和表面能与 物质性质的关系，并得出结论。
06
相关理论介绍
杨氏方程
总结词
杨氏方程是描述表面张力和表面分子 间的相互吸引程度。
表面张力在生活中的应用
01
02
03
露珠呈球形
由于表面张力，水滴在荷 叶或树叶上呈球形，不易 散开。
气泡形成
在洗衣服、洗碗时，表面 张力使气泡在水中形成并 保持。
防水表面
表面张力可以用于创造防 水表面，如荷叶的自洁效 应。
表面能在工业中的应用
涂层附着
表面能的大小影响涂层与 基材的附着力，选择合适 的涂层材料和工艺可以提 高附着力。
表面能与物质性质的关系
物质性质对表面能的影响
物质的化学性质、晶体结构、分子间作用力等都会影响其表 面能。例如，极性分子具有较大的表面能，因为它们具有更 强的分子间相互作用力。
表面能的应用
在化学、物理、工程等领域中，表面能具有广泛的应用，如 润湿现象、自组装单层膜、晶体生长等都与表面能密切相关 。
04
力等因素有关。
表面能
表面能是固体表面的能量，它是 由于固体表面原子或分子的排列 不规整而引起的。表面能的大小 与表面的粗糙度、化学组成、温
度等因素有关。
实验方法
通过测量液体在固体表面上展开 的角度或测量液体在固体表面上 的接触角，可以计算出表面张力
和表面能。
实验步骤
准备实验器材
测量液体在固体表面上的接触角
表面张力计、表面能计、待测液体和固体 样品等。
将待测液体滴在固体表面上，观察液滴的 形状，并测量接触角。
计算表面张力和表面能
分析实验结果
根据接触角的大小，利用相关公式计算出 表面张力和表面能。
分析实验结果，了解表面张力和表面能与 物质性质的关系，并得出结论。
06
相关理论介绍
杨氏方程
总结词
杨氏方程是描述表面张力和表面分子 间的相互吸引程度。
表面张力及表面能
Figure 2.1 Schematic representation of a liquid molecule in the bulk liquid and at the surface. A downward attraction force is operative on the surface molecule due to the lack of liquid molecules above it.
表面张力(Surface Tension)
Surface tension
l
F ST2l
ST : F
2l
Surface tension of water drop
表面张力(Surface Tension)
在两相界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表 面的单位线段上，指向使表面紧缩的方向并与表面 相切。
解：对大水滴 A S4r24 4/1 3 2 /3c m 24 .8 4 1 0 4c m 2
对小水滴
As1
106
4/3r13
4r12
3106
r1
3.0103m2
As1 3.0 107m2 6.2106 As 4.84
弯曲液面下的附加压力 Curved liquid surfaces with additional pressure
作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 表 示，单位是N·m-1。
注意：
肥皂膜Biblioteka F1. 表面张力是作用在单位长度线段 上的力，量纲为Ｎ m-1。
2. 表面张力 也常被称为表面张力
系数。
2.1.3 surface free energy
dW •2 bd x •dA
表面自由能(Surface Free Energy)
表面能与表面张力系数
R0
内其他分子对该分子的作用力是相
互抵消的。
• 但在液体表面层内 却并非如此。
• 若液体与它的蒸气相 接触，其表面层内分 子作用球的情况示于 图。
表面层分子的作用球中或多或少总有一部分是密度 很低的气体，使表面层内任一分子所受分子力不平衡， 其合力是垂直于液体表面并指向液体内部的。
在这种分子力合力作用下，液体有尽量缩小它的表面 积的趋势，使液体表面像拉紧的膜一样。表面张力就 这样产生的。
(二) 表面能与表面张力系数
• 表面张力是由于液体表面的过渡区域(称为表面层)内
分子力作用的结果。
• 表面层厚度大致等于分子引力的有效作用距离的数
倍，其数量级约为10-9 m，即2～4个分子直径的大小。
设分子互作用势能是球对称的，以任一分子为中心画
出以 R0 为半径的分子作用球。
显然,在液体内部，其分子作用球
• 当外力F 在等温条件下拉伸铁丝(见下图)以扩大肥 皂膜的表面积ΔA 时,
力F 做的功为ΔW = FΔx，因为
F = 2σL,ΔA = 2LΔx，W = σΔA
在扩大液体表面积过程中，一部分液体内部的分子 要上升到表面层中，而进入表面层的每一个分子都需 克服分子力的合力做功。 合力方向指向液体内部。
也可写成两种不同的形式：N·m-1及J·m-2。
表面张力产生原因另一种解释: 既然表面能是表面层中分子
比液体内部分子多出来的分子 互作用(吸引力)势能。 可见在表面层中分子的平均间 距要比液体内部大，为什么?
说明在表面层中分子排列要比 液体内部疏松些(而且越是沿液 面向外，其排列越疏松)。
从分子间作用力曲线可估 计到，平均说来，在表面层 中分子间的吸引力明显大于 液体内部。为什么?
第三章表面张力及表面能
• 2 × 0.01 m × 0.072 Jm−2 = 1.44 × 10−3N
That corresponds to a weight of 0.15 g.
How can we interpret the concept of surface tension on the molecular level?
For molecules it is energetically favorable to be surrounded by other molecules. Molecules attract each other by different interactions such as van der Waals forces or hydrogen bonds.
乙醚
甲醇 乙醇 硝基苯 苯 苯 甲苯 四氯化 碳
25
20 20 20 20 30 20 220.1422.50 22.39 43.35 28.22 27.56 28.52 26.76
一些油水界面张力（20℃）
界面 界面张力(mN/m) 界面 界面张力(mN/m)
苯－水
35.0
正辛醇－水
8.5
四氯化碳－水
一些液体的表面张力
液体 全氟戊 烷 温度／ ℃ 20 表面张力 (mN/m) 9.89 液体 三氟甲 烷 温度 /℃ 25 表面张力 (mN/m) 26.67
全氟庚 烷
全氟环 己烷 正己烷 正庚烷 正辛烷 水 水 水
20
20 20 20 20 20 25 30
13.19
15.70 18.43 20.30 21.8 72.8 72.0 71.2
AS 4 r 2 4 4 / 3 cm2 4.84 104 cm2
《水的表面张力》课件
05
实验：水的表面张力实验
实验目的
探究水的表面张力现 象。
培养观察、分析和解 决问题的能力。
了解表面张力在日常 生活中的应用。
实验材料
一杯清水
一个小水桶 一块纸巾
一枚硬币 一根缝衣针
实验步骤
1. 将硬币平放在水面，观察到硬币被“托起”， 这是因为水的表面张力使硬币与水面紧密贴合。
3. 将小水桶装满水，然后迅速将水倒出，观察到 水形成了一串连续的水珠，这是因为水的表面张 力使水珠保持完整。
水质中含有的杂质和溶解物也会影响表面张力；压力越大，表面张力越
大。
思考与讨论
利用表面张力制作微型机器人
利用表面张力进行液体点滴控制
通过在机器人表面涂上一层具有超疏水性 质的材料，使其能够在水面上行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，实现 水陆两栖的移动。
通过控制表面张力，可以实现液体的点滴 和停止，可用于医学、生物等领域中的点 滴控制。
03
影响水的表面张力的因素
温度
温度对水的表面张力影响显著 ，随着温度的升高，水的表面 张力逐渐减小，反之亦然。
在常温下，水的表面张力大约 为72.8 mN/m，而在接近0°C 时，表面张力最大，大约为 100 mN/m。
温度对表面张力的影响主要是 由于水分子间的相互作用力随 温度变化。
物质种类
表面张力单位
表面张力单位是牛顿/米（ N/m）。
表面张力特性
表面张力是液体表面所具 有的一种特性，与液体的 种类、温度、纯度等因素 有关。
表面张力产生的原因
分子引力不均衡
液体表面层的分子受到的来自内 部和外部的分子引力不均衡，导 致表面层分子分布比内部稀疏，
从而产生表面张力。
表面张力和表面能
2021/5/9
25
表面张力（surface tension）
2021/5/9
（a）
（b）
26
界面张力与温度的关系
温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时， 界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：
因为 dG SdT VdP dA BdnB
运用全微分的性质，可得：
B
( A S)T,P,nB( T)A,P,nB
As1 3.0107m2 6.2106 As 4.84
2021/5/9
12
三、表面张力与表面自由能
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是对称 的，各个方向的力彼此抵销(各向同性)；
但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相同 物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中 物质分子的作用，其作用力不能相互抵销，因此，界 面层分子由于其处在一不均匀对称的力场会显示出一 些独特的性质。
等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加
的。所以 随T的增加而下降。
2021/5/9
27
表面熵和表面总能
表面熵 是指在等温等压下，一定量的液体增加单
位表面积时熵的增量。
Ss
S AT,p,ni
T A,p,ni
上式表明，可利用实验可测的量来得到难以从实
验上测定的表面熵值。
已知一般液体的表面张力温度系数为负值，因此 表面熵在一般情况下应为正值。这可看成将分子 从液体内部迁移到表面，由于分子间力减少，分 子排列从有序到无序必引起熵增。换言之，表面 熵为正值可理解为是表面层疏松化的结果。
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。
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实验：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。 现象：可滑动的边会被向上拉直 至顶部。
原因：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）
2021/2/12
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。
(
U A
)S
,V
(
H A
)
S
,
P
(
F A
)T
,V
(
G A
)T
,P
对于多组分体系，表面能不仅与温度、压力等有 关，还与体系的组成有关。
表面张力和表面能的单位
表面张力的单位是N·m-1 ，而表面吉布斯自由 能的单位为J·m-2 。由于J=N·m，所以J·m-2 即N·m-1 ，因此表面吉布斯自由能也可以看作 是垂直作用在单位长度界面上的力即表面张力。
与总的表面张力大小相等方向相
反，则金属丝不再滑动。
表面能
对于只有一种表面的纯液体体系，考虑了表面功，热
力学基本公式中应相应增加 dA 一项
dU TdS PdV dA dH TdS VdP dA dF SdT PdV dA dG SdT VdP dA
广义的表面自由能定义：
关于表面张力和表 面能课件
气-固界面
液-液界面
固-固界面
表面张力
表面张力概念的建立要比比表面自由能早一个世 纪,对于表面张力的认识起源于毛细现象的观察.
表面张力产生本质原因：
液体内部分子所受的力可以彼 此抵销，但表面分子受到体相 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。
表面张力和表面能
（1）表面张力是表面层分子实际存在的表面收缩力；表面 自由能是形成一个单位的新表面时体系自由能的增加，或表 示物质体相内部的分子迁移到表面时，形成一个单位表面 所要消耗的可逆功。 （2）表面张力和表面自由能是分别用力学和热力学方法研 究表面性质时所用的物理量，他们代表的物理概念不同。 （3）对于液体，可以证明二者数值相同，且具有相同的量 纲。而对于固体，二者则有所不同。 （4）表面张力是物质的自然属性，与温度、压力、组成以 及共存的另一相有关