第二章 单组分体系的表面现象与表面能分析
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2012-09-27
2.1.2 界面现象的本质
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，其作用力未必能相 互抵销，因此，界面层会显 示出一些独特的性质。
对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物 质在不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特 性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。
(2.2)
2012-09-27
表面功（surface work）
(2.3)
在温度、压力和组成恒定时，可逆地增加表面 积dA所需要对体系作的功，称为表面功。
式中为比例系数，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。
表面功和表面自由能
在恒温恒压和组成恒定时，有： (2.4)
2012-09-27
2.1.2 界面现象的本质
以液体及其蒸气组成的气－液界 面为例：
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。
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，如表面张力、表面吸附、
(2.5) 外界对体系作的表面功以表面能的形式储存在表面之上。
2.1.5 表面自由能(surface free energy) 狭义的表面自由能定义：
(2.6)
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。
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
第二章 单组分体系中的表面现象与表面能
2.1 单组分体系的表面能与表面张力 2.2 影响表面能的几种因素 2.3 弯曲表面下的附加压力与蒸气压 2.4 测量表面（界面）张力的方法
2012-09-27
2.1 表面吉布斯自由能和表面张力
➢ 表面和界面 ➢ 界面现象的本质 ➢ 表面张力 ➢ 表面功 ➢ 表面自由能
表面自由能与表面张力的关系：
➢ 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。 ➢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。
2012-09-27
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
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， 即：
热力学能 热力学焓 亥姆霍兹函数 吉布斯函数
2012-09-27
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
根据上面的公式，可以得出：
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
2012-09-27
2.1.1 表面和界面(surface and interface)
气-液界面
液-固界面
气-固界面
液-液界面
固-固界面
2.1.2 界面现象的本质
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)
毛细现象、过饱和状态等。
2012-09-27
2.1.3 表面张力（surface tension）
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
(a)
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，见(a)图。
如果刺破线圈中央的液膜，线
(b)
圈内侧张力消失，外侧表面张力立
即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，
清楚的显示出表面张力的存在。
2.1.3 表面张力（surface tension）
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。
把作用于单位边界线上的这种力称为表 面张力，用γ表示，单位是N·m-1。
2012-09-27
2.1.3 表面张力（surface tension）
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。
这时
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。
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表面张力与表面吉布斯自由能
（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
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
表面自由能与表面张力的关系：
➢ 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。
➢ 表面张力是表面层分子实际存在的表面收缩力。
2012-09-27
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
时，相应热力学函数的增值。
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
对于只有一种表面的多组分体系，经历一可逆过 程，且在此过程中体系除了做膨胀功、化学功， 还做表面功，则有下列相应的热力学关系Байду номын сангаас：
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
由此可得：
即在指定条件下，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。
(2.1)
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。
2.1.4 表面功和表面自由能
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。
在可逆情况下，外力对体系所做的 最小功为：
2.1.2 界面现象的本质
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，其作用力未必能相 互抵销，因此，界面层会显 示出一些独特的性质。
对于单组分体系，这种特性主要来自于同一物 质在不同相中的密度不同；对于多组分体系，则特 性来自于界面层的组成与任一相的组成均不相同。
(2.2)
2012-09-27
表面功（surface work）
(2.3)
在温度、压力和组成恒定时，可逆地增加表面 积dA所需要对体系作的功，称为表面功。
式中为比例系数，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。
表面功和表面自由能
在恒温恒压和组成恒定时，有： (2.4)
2012-09-27
2.1.2 界面现象的本质
以液体及其蒸气组成的气－液界 面为例：
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。
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，如表面张力、表面吸附、
(2.5) 外界对体系作的表面功以表面能的形式储存在表面之上。
2.1.5 表面自由能(surface free energy) 狭义的表面自由能定义：
(2.6)
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。
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
第二章 单组分体系中的表面现象与表面能
2.1 单组分体系的表面能与表面张力 2.2 影响表面能的几种因素 2.3 弯曲表面下的附加压力与蒸气压 2.4 测量表面（界面）张力的方法
2012-09-27
2.1 表面吉布斯自由能和表面张力
➢ 表面和界面 ➢ 界面现象的本质 ➢ 表面张力 ➢ 表面功 ➢ 表面自由能
表面自由能与表面张力的关系：
➢ 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。 ➢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。
2012-09-27
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
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， 即：
热力学能 热力学焓 亥姆霍兹函数 吉布斯函数
2012-09-27
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
根据上面的公式，可以得出：
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
2012-09-27
2.1.1 表面和界面(surface and interface)
气-液界面
液-固界面
气-固界面
液-液界面
固-固界面
2.1.2 界面现象的本质
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)
毛细现象、过饱和状态等。
2012-09-27
2.1.3 表面张力（surface tension）
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
(a)
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，见(a)图。
如果刺破线圈中央的液膜，线
(b)
圈内侧张力消失，外侧表面张力立
即将线圈绷成一个圆形，见(b)图，
清楚的显示出表面张力的存在。
2.1.3 表面张力（surface tension）
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。
把作用于单位边界线上的这种力称为表 面张力，用γ表示，单位是N·m-1。
2012-09-27
2.1.3 表面张力（surface tension）
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。
这时
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。
2012-09-27
表面张力与表面吉布斯自由能
（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
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
表面自由能与表面张力的关系：
➢ 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。
➢ 表面张力是表面层分子实际存在的表面收缩力。
2012-09-27
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
时，相应热力学函数的增值。
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
对于只有一种表面的多组分体系，经历一可逆过 程，且在此过程中体系除了做膨胀功、化学功， 还做表面功，则有下列相应的热力学关系Байду номын сангаас：
2.1.5 表面自由能(surface free energy)
由此可得：
即在指定条件下，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。
(2.1)
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。
2.1.4 表面功和表面自由能
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。
在可逆情况下，外力对体系所做的 最小功为：