液液界面特征及现象
液体力学中的表面张力与界面现象
液体力学中的表面张力与界面现象液体力学是物理学的一个分支，研究以及描述液体的力学行为。
其中一个重要的概念就是表面张力和界面现象。
本文将深入探讨液体力学中的表面张力和界面现象的原理以及它们在日常生活中的应用。
表面张力是液体分子之间的一种内聚力，它使得液体表面上的分子相互吸引，表现出一种“膜”的特性。
具体来说，液体分子在表面上会受到来自内部分子的吸引力，所以它们会聚集在一起，形成一个能够承受外力的弹性薄层。
这种力量在液体的小滴或者泡沫上表现得尤为明显。
表面张力的大小可以通过测量一个液体的能够在单位长度上支撑多大的重量来确定。
举个例子，如果你将一个铁环轻轻地放在水面上，你会发现水的表面张力足够强大，能够支撑起整个铁环。
这也是为什么某些昆虫能够在水上行走的原因，因为它们的体重并不足以破坏水的表面张力。
界面现象是指当两种不同的液体相遇时所产生的现象。
它涉及到液体之间界面的特性，以及界面上的现象，如表面张力和吸附现象。
当两种液体相互接触时，它们之间会产生相互作用力。
一种常见的界面现象是液体之间的混合和互溶。
一个经典的界面现象就是水和油的不互溶性。
水和油分子之间的互相排斥导致它们在混合时形成界面，形成一个有各种尺寸的水滴悬浮在油的表面上。
这是因为水分子之间的吸引力大于水和油之间的吸引力，所以它们更愿意聚集在一起。
界面现象在很多实际应用中都起到重要的角色。
一个重要的应用是液体和固体之间的界面，如润湿现象。
润湿是指液体在固体表面上的分布情况。
如果液体能够均匀地分布在固体表面上，我们称之为良好的润湿。
如果液体无法均匀地分布在固体表面上，则称之为不良的润湿。
润湿现象在很多领域都有重要的应用，如涂料工业、医疗材料、和光学镀层等。
另一个重要的应用是液体和气体之间的界面，如气泡和泡沫。
气泡和泡沫的形成与表面张力密切相关。
当一个封闭的气体被液体包裹时，液体分子在外部施加的压力会使得气体内部的压力大于外部压力，就会出现气泡。
通过控制表面张力和液体的性质，可以控制气泡的大小和稳定性，这在食品工业和洗涤剂等领域有着广泛的应用。
化学物理中的界面现象与表面反应
化学物理中的界面现象与表面反应在化学物理学中，界面现象与表面反应是研究物质与界面、表面之间相互作用的重要领域。
界面现象是指物质与界面之间产生的物理现象，如表面张力、接触角等；而表面反应则是指发生在物质表面的化学反应。
一、界面现象1.表面张力表面张力是液体表面各点之间的相互作用力。
具体来说，液体表面各处的分子组成不同，内部的分子仍然受到液体内部的相互作用力，而表面上的分子只能受到一侧的相互作用力，这就导致表面上的分子有向下的趋势，而这种向下的趋势就是表面张力。
例如，我们把一根干净的细棒插入一杯水中，可以发现水面会稍稍上升，这就是水分子在表面张力的作用下向外抬起细棒。
表面张力影响着液体的形态，使得液体在排斥进一步收缩形态，从而使得液滴成为尽可能球形的形状。
同时，在界面上的物质转移以及表面活性剂的作用下，表面张力也起到了重要的作用。
2.接触角接触角是表面张力和性质的一个体现，是形成于固体表面和液体之间的，已知液体的表面张力和固体表面对该液体不感性的程度。
按照定义，接触角α 角为液体和固体表面接触在一个贯穿液面和固体交界面的线上时，线上端点所扫过的角度。
易受环境因素影响的表面现象还有溶液表面的吸附现象。
溶液中的赖屯分子聚集在其表面，使表面张力增加，造成液面凹陷，称为溶液的表面凹陷。
二、表面反应表面反应指的是在物质表面发生的化学反应。
表面反应的机制有两种：“电化学反应”和“理化反应”。
1.电化学反应在电化学反应中，化学反应的发生是通过在电极上加电而引起表面电荷变化，从而促使反应发生。
电化学反应常常结合了电化学过程、动力学和反应热力学三个方面来研究。
在电化学反应中，电势的变化是关键参数之一。
在反应过程中电势变化并不是线性的，而是富含非线性项，这对于预测和解释表面反应的活性和选择性是非常具有挑战性的。
2.理化反应与电化学反应相比，理化反应是更加广泛的表面反应机制，其中包括了表面化学、液固相化学、气固相化学等多种机制。
第4章 气-液与液-液界面
4.4 弯曲表面下的附加压力
自然界中有许多情况下液面是弯曲的，弯曲液 面内外存在一压强差，称为附加压强, 用Ps 表示。 附加压强是由于表面张力存在而产生的。 附加压强的产生 1.平液面
f f
P0 0
△ S
在液体表面上取一小面积 △ S, 由于液面水平，表面 张力沿水平方向， △ S 平 衡时，其边界表面张力相 互抵消, △S 内外压强相等：
将金属做成超细微粒以降低熔点；
10
例题
例 1 、将 1g 水分散成半径为 10-9m 的小水滴 （视为球形），其表面积增加了多少倍？
解：对大水滴
1 2 4 AS 4 r 4 cm 4.84 10 cm 4/3
2 2/3 2
对小水滴 6 6 10 3 10 1 2 3 2 As 4 r 3.0 10 m 1 3 4 / 3 r1 r1
这些现象说明：液体表面与体相液 体的性质不完全相同。这些特点可 以从力学和能量的角度予以解释。
13
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消 (各向同性)；故在液体的内部，分子的移动 无需作功。
14
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，其所受作用力不能相 互抵消。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。 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， 特性则来自于界面层的组成与任一相的组成均不 相同。 15
P 4r 2 dr 8r dr 由此可得 2 P r
液体的表面现象
2
材料科学
设计和制备具有特殊浸润性和表面活性的材料。
3
纳米技术
利用表面张力控制纳米颗粒的分散和组装。
浸润性与液体的相互作用
浸润性
浸润性是指液体与固体表面相 互作用程度的度量。
吸附
液体分子通过吸附在固体表面 上，降低表面的自由能。
角接触角
角接触角越小，液体与固体的 浸润性越好。
表面张力的应用和意义
自洁性
表面张力使得水可以在表面上形 成水滴，带走灰尘和污垢。
水黾行走
表面张力使得一些小昆虫可以在 水面上行走。
液体的表面现象
液体的表面现象是指液体与其外界接触界面上的特殊现象。
表面张力的原理
表面张力是由于液体分子间的相互作用力导致液体表面处呈现出的一种紧张 状态。
液滴形状的影响因素
1 表面张力
表面张力越大，液滴越接近球形。
3 挥发
挥发过程会使液滴变形。
2 重力
地球引力使得大的液滴下垂。
4 浸润性
液滴与固体表面的相互作用也会影响形状。
毛细作用
表面张力使得液体可以逆向上升 到细管内。
实验观察表面现象的方法
滴定法
通过滴定液体，并观察液滴 形状和滴落速度变化。
测量法
利用天平、毛细管等测量液 体的质量、压强和高度。
观察法
直接观察液体的行为比如液 滴形状和变形过程。
液体的表面现象在科学和工程和植物叶片自洁性的机制。
3.3 液液界面的性质解读
1,2
而2,g的作用是使液体铺展，如果2,g>(1,g+1,2)， 则液体1能在液体2上铺展。
液体的铺展
几种有机液体在水面上的铺展系数 Si/(N· m-1) 0.0728－(0.0524＋0.0300)＝0.0093 0.0728－(0.0508＋0.0218)＝ +0.0002 0.0728－(0.0085＋0.0275)＝ +0.0368 结论 不能在水面上铺 展 仅能在纯水面上 铺展 能在污染水面上 铺展
液体
正一十六 烷 正一辛烷 正一辛醇
液体的铺展
若油一水之间具有相互溶解度，则应注意，达饱和之后 其铺展系数 Sf 与 Si 可能不同，甚至结论可以相反。例 如正已醇在水面上的起始铺展系数为
故在水中滴入正已醇时先在水面上铺展开来，但过一段时 间后由于相互溶解度使 γW/G 发生显著变化，达饱和时：
液体的铺展
液—液界面张力理论
2、Good—Girifalco理论 理论要点为； 1）根据a和b粘附过程的粘附功公式定义自粘功公式
Wab a b ab Waa 2 a
ab
2）设W（ab）与W（aa）、 W（bb）之间存在几何平均关 系
Wab WaaWbb
1/ 2
液体的铺展
液体的铺展(spreading) 在纯净的水面上滴入一滴不溶性油，可能产生下列三种 情况之一： (1).油停留于水面上，形成双凸透镜的液滴，这种情况称为 不铺展。如图（b）所示。 (2).铺展成为一薄膜，此薄膜在均匀分布于表面上形成"双重 膜"之前会产生干涉色。（"双重膜"是一厚至足以形成双 界面的薄膜，每一界面互为独立并各具特征的表面张 力）。如图（a）所示。
第一章__液体的界面性质(备)
界面层的分子所处环境与体相内部不
同。体相分子受力对称，合力约等于零， 表面分子受到液体内部分子向下的引力和 气体分子向上的引力，周围分子对它各相 的引力是不同的。液相分子对它的引力较 大，气相分子引力较小，结果使表面分子 受到指向液体内部的拉力，有自动向液体
体表面的收缩力，所以又称为表面张力，单位为N·M-1 （mN·m-1）。 定义表面张力（σ ）：单位长度液体表面的收缩力， 单位N·m-1（或mN·m-1） 表面自由能、表面张力单位不同，数值一样，其原因 是由表面分子受力不均所引起的。 表面张力或表面能的大小决定于相界面分子之间的作 用力，也就是决定于两个体相的性质。它随体相的组成 温度不同而变化。 注意
第一章 液体的界面性质
§1-1 表面能与表面张力
一、表面能与表面张力的含义
物质通常以气、l、s三种聚集状态（也称相态）存在， 当两种聚集状态共存时，就会出现g-l、g-s、l-l、l-s和s-s 等五种相界面。由于人们的眼睛看不到气相，因而将l-g 和g-s两种界面称为表面, l-l、l-s常称为界面。
五、悬滴法
方法相对比较复杂，通过照相确定悬滴直径
gde2 H
de可以测得，H可以查表。
六、滴重法或滴体积法
是一种简单而准确的方法，将液滴在磨平的毛细管口 慢慢形成液滴并滴下，收集并称重或直截读出体积。 mg Vg 2R 2R
m、v —一滴液体的重量或体积； ρ —液体密度； —校正因子，可查表。 R—管口半径；
二、yourg-laplace方程 （作用是给出附加压力与曲率半径的关系）
液体界面上的表面张力与液滴形状
液体界面上的表面张力与液滴形状液体是一种我们生活中常见的物质状态。
我们可以发现，在许多情况下，液体呈现出不同的形状，例如水滴、泡沫等等。
这种形状的变化与液体界面上的表面张力密切相关。
表面张力是液体分子之间相互作用力的结果。
液体分子相互之间存在着吸引力，使得液体表面附近的分子要比内部的分子受到更大的吸引力。
这种吸引力使得液体呈现出一种较为特殊的现象，即在自由界面上形成一层薄薄的膜状结构，使液体的表面呈现出张力。
表面张力的大小决定了液体的形状。
当我们观察一个水滴时，可以发现它是圆形的。
这是因为液滴内部的液体分子相互吸引，从而使得液滴呈现出尽可能小的表面积。
而液滴表面的液体分子则受到外界环境的压力，导致液滴表面有固定的压力，这就形成了一个弹性薄膜，将液体束缚在其中。
当液体表面的张力增大时，液滴就会变得更加紧凑，呈现出更加圆形的形状。
相反，当液体表面的张力减小时，液滴就会呈现出扁平的形状。
这也是为什么一些物体在水中漂浮的原因，因为它们的密度小于水，水分子在物体表面形成的张力使其浮在水面上。
除了水滴之外，还有一种特殊的液滴形状，即毛细管。
当液体在一根细长的玻璃管内上升时，我们可以看到液体在玻璃管内形成一个上凸的曲面。
这是由于液体分子在玻璃管内的表面张力作用下，液体呈现出曲面形状。
而毛细管现象也广泛应用于实际生活中，例如草鸟喝水的过程，饮管吸液等等。
而在实际应用中，我们可以通过调节表面张力来改变液体的形状。
例如在洗涤衣物时，加入一些洗涤剂可以降低水的表面张力，使得水滴更容易渗透到织物中。
再比如蚊子吸血的时候，它会分泌一种具有较低表面张力的酶，使得血液能够更容易地进入它的口器中。
总的来说，液体界面上的表面张力与液滴形状密切相关。
通过调节表面张力，我们可以改变液体的形状，从而应用于各种实际场景中。
随着科学技术的不断进步，我们对表面张力的认识也将更加深入，为我们生活带来更多惊喜。
5-第五章-液液界面
牛 奶 脱 脂 制 奶 油
13
一、乳状液的类型
1、乳状液的分类
乳状液中，一切不溶于水的有 机液体（苯、四氯化碳、原油 等）统称为“油”，用“O” 表示。根据分散相与连续相的 不同，可分为三大类：
水包油，O/W（水为连续相，油为分散相）
乳状液 油包水，W/O（油为连续相，水为分散相）
多重型，例，W/O/W、 O/W/O
应用：石油的三次开采。
25
六、乳状液的应用
1、控制反应
许多化学反应是放热的，反应时温度激剧上升，能促进副反应 的发生，从而影响产品质量。将反应物制成乳状液分散成小滴 后，在每个小滴中反应物数量较少，产生热量也少，并且乳状 液的面积大，散热快，因而温度易于控制。 高分子化学中常使用乳液聚合反应（如合成橡乳），以制得较 高质量的产品。
彩色胶卷生产中感光乳液的涂布
扑灭油类火灾的“轻水”灭火剂
10
第五章 液液界面
阅读
§5-1 液液界面的形成 §5-2 液液界面张力的现代理论 §5-3 超低界面张力 §5-4 液液界面上的吸附 §5-5 乳状液
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第五章 液液界面
§5-1 液液界面的形成 §5-2 液液界面张力的现代理论 §5-3 超低界面张力 §5-4 液液界面上的吸附 §5-5 乳状液
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一、乳状液的类型
乳状液（emulsion）：由两种（或两种以上）不互溶或部分互溶 的液体形成的分散系统。其分散相粒子粒径一般在0.1~50μm。
奶
农
药
乳
化
含水原油、原油破乳
乳化（emulsification）：油水 混合生成乳状液的过程。
破乳（deemulsification ）：破 坏乳状液，使油水分离的过程。
流体的界面形态及其稳定性分析
流体的界面形态及其稳定性分析引言在自然界和工业过程中，流体的界面形态及其稳定性一直是研究的重点之一。
流体界面的形态决定了其各种力学和化学特性，影响着流体流动、传质、传热等过程。
本文将针对流体的界面形态和稳定性进行分析，并探讨其在科学和工程领域的应用。
1. 流体的界面形态流体的界面形态是指两种或多种流体之间的接触面和界面形状的描述。
其形态可以分为平面界面、曲面界面、凸凹界面等多种形态。
流体界面的形态决定了其表面张力、接触角等性质，对流体的流动和传质过程有着重要的影响。
1.1 平面界面平面界面是指两种流体之间的接触面为平面，几乎没有曲率的界面。
在平面界面上，流体分子的排列相对整齐，分子间的相互作用力相对均匀。
平面界面具有较低的表面能、接触角小等特征，在某些应用中具有重要作用，如液体的拉普拉斯方程和杨-拉普拉斯方程的推导等。
1.2 曲面界面曲面界面是指两种流体之间的接触面呈现曲面形状，具有一定的曲率。
曲面界面的形态取决于两种流体的性质和受力情况。
曲面界面通常具有较高的表面能、接触角较大等特征，对流体的流动和传质过程有较大影响。
1.3 凸凹界面凸凹界面是指界面上同时存在凸曲面和凹曲面的流体形态，即界面同时呈现凸凸面或凹凹面。
凸凹界面的形态与其半径、凸凹程度、流体性质等都有关系。
2. 流体界面的稳定性流体界面的稳定性是指界面形态对外界扰动的响应能力。
稳定的流体界面能够抵抗外界的扰动并保持原有形态，而不稳定的流体界面则容易发生剧烈的形态变化。
2.1 界面损失稳定性当流体界面受到外界扰动时，会产生不稳定现象，如界面的涡流和剪切等。
这种情况下，界面的形状会发生剧烈变化，导致流体的流动和传质过程受到干扰。
2.2 界面增稳机制为了增加流体界面的稳定性，可以采取一些措施来减少界面的损失。
常见的增稳机制包括表面活性剂的添加、改变流体性质和控制流体流动等方式。
通过这些方式，可以使流体界面的形态保持较为稳定，从而提高流体的传输性能。
3.3 液液界面的性质解析
2.液—液界面张力理论
液—液界面张力的测定 （1）毛细上升法：方法简单、方便。但接触角不易测定。
（2）滴体积法：方法简单、方便。但要引入校正因子。
注意上述两种方法的有关公式中，不能忽略任一相的密度。 关于液—液界面张力的理论 液液界面张力同表面张力一样，是界面上的分子受到两边液相 分子作用力的结果。其值与两液体的表面张力有关。
D P
ab a b 2( )
D a
D 1/ 2 b
2
P a
P 1/ 2 b
D D 1/ 2 ab a b 2( a b )
液—液界面张力理论
4）吴氏倒数平均法1.Ca来自 3.Cab3 3 2 2 h a a 2.Cbb h b b 4 4 2Caa Cbb 3 h a b a b b a 2 a b Caa Cbb
液体
正一十六 烷 正一辛烷 正一辛醇
液体的铺展
若油一水之间具有相互溶解度，则应注意，达饱和之后 其铺展系数 Sf 与 Si 可能不同，甚至结论可以相反。例 如正已醇在水面上的起始铺展系数为
故在水中滴入正已醇时先在水面上铺展开来，但过一段时 间后由于相互溶解度使 γW/G 发生显著变化，达饱和时：
液体的铺展
3.2 液—液界面的性质
液体的粘附与铺展 液—液界面张力理论
表面活性剂溶液的界面张力 液—液界面上的吸附
1.内聚功(work of cohesion)
等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合 为液柱所作的最大功称为内聚功，是液体本身结 合牢固程度的一种量度。 内聚时两个单位液面消失，所以，内聚功在 数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。
Sf<0，不利于铺展，故出现了如上面图所示的膜又收缩成 为透镜状的情况，而在其他地方则仍铺展形成单分子层。 液液铺展现象的研究有其实用意义。如彩色胶片生产 中，要把多种感光胶液分层涂布在片基上。现在采用的是 一次涂布法，这就要求上层液体能很好地铺展在下层液体 上，为此，需调节各层液体成分，使 Sf＝0。再如，扑灭 油类火灾的灭火剂，必须要求水溶液在油上铺展。此时， 必须选择一合适的表面活性剂，使Sf>0 。
第4章 气-液与液-液界面讲解
f
P
P P0
俯 视 图
35
2. 液面弯曲 1) 凸液面时， △S 周界上表 面张力沿切线方向，合力指 向液面内， △ S 好象紧压在 液体上，使液体受一附加压 强 Ps ，平衡时，液面下液体 的压强：
P0 P
△ S S
f
f f
P P
Pss
附加压力示意图
p p + p
0
s
36
2）凹液面时，△S 周界上 表面张力的合力指向外部， △ S 好象被拉出，液面内 部压强小于外部压强，平 衡时，液面下压强：
21
从分子间的相互作用来看，增加液体表面所作
的功就是将分子由液体内部移至表面所需之功，是为了 克服周围分子的吸引而引起的 。由此可见， 表面张
力也是分子间吸引力的一种量度。 由分子运动论，温度升高，分子动能增加。 结果： a）气相中的分子密度增加 b）液相中分子间距离增大 这两种效应皆使
γ 降低，即表面张力总是随温
界面现象的本质
最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。
在液体内部，分子受周围邻居分子的吸引平 均说来是对称的；但在液体表面，分子只受到液 相分子的吸引，因为气相中分子的密度很小，其 对液体表面分子的吸引可以忽略。
气相
液相
结果，表面的分子总是 尽力向液体内部挤，从而使 液体表面有张力、有自动收 缩的倾向。
A F
B
19
表面自由能(Surface Free Energy)
从另一角度来看，设肥皂水膜处于平衡状态， 现在增加一无限小的力于AB，以使其向下移动 dx 距离。这样消耗的能量 (力×距离) 使膜的面积增 加了dA=2l· dx。因此，对体系所作的功是：
W Fdx 2ldx dA
《液-固界面现象》课件
3
界面活性药物
界面活性药物在液-固界面上吸附，可影响其物理化学性质，被广泛应用于肿瘤治疗、 先天性肺部疾病的治疗等领域。
问题与探讨
• 液-固界面在其他领域中有什么应用？ • 表面活性剂的分子结构对于液-固界面的影响？ • 液滴和泡沫的形成与液体和固体性质的关系是什么？
总结
液-固界面现象是一项综合性的交叉学科，对于研究材料表面性质的变化、 纳米材料、涂层、医学等有着重要的应用价值。通过本次课件的学习，我 们可以更深入地了解液-固界面现象的概念和特点、液-固界面的三种基本 现象、液-固界面在不同领域中的应用，同时也有助于我们拓宽知识面和 思考思维。
《液-固界面现象》PPT课 件
本课件旨在介绍液-固界面现象的基本概念、现象和应用，帮助观众更深入了 解这一重要领域，拓展实践应用。
液-固界面概述
什么是液-固界面
液物体和固体接触的界面，是化学、物理和生物 学等多个领域的交叉研究领域。液-固Fra bibliotek面的性质和特点
液-固界面的形态、结构和性质与液体、固体性质 密切相关，对于理解和掌握材料表面性质的变化 和特殊领域如纳米材料等有着重要作用。
液-固界面应用
1
表面活性剂在洗涤剂中的应用
液体与固体表面张力不同，表面活性剂的分子可在液-固界面降低液面张力，使洗涤剂 中的污垢更容易从衣物表面卸下。
2
液滴和泡沫的形成与应用
通过液-固界面和气-液界面的相互作用，可形成不同大小的液滴和泡沫，可以应用于表 面涂层、纳米粒子制备、生物医学、冶金等多个领域。
液-固界面的现象
吸附现象
液滴与固体表面发生作用，使液滴中的分子与固体表面结合，吸附现象的研究在材料科学中 有着重要作用。
《液固界面现象》课件
目录
• 液固界面现象概述 • 液固界面润湿现象 • 液固界面吸附现象 • 液固界面分子组装与自组装 • 液固界面现象研究展望
01 液固界面现象概 述
定义与分类
定义
液固界面现象是指液体与固体表 面之间相互作用所发生的现象。
分类
可分为润湿、吸附、表面张力等 。
重要性与应用领域
光学干涉技术
通过干涉图样的变化，研究表面形貌和界面分子排列，具有非接触 、无损检测的优点。
计算机模拟技术
利用分子动力学、蒙特卡罗等方法模拟液固界面的微观结构和动态 行为，为实验提供理论支持。
跨学科交叉研究的推进
1 2
物理学与化学的交叉
研究表面活性剂、胶体等物质在液固界面上的吸 附和排列，揭示界面现象的物理机制。
分子组装与自组装的驱动力
分子组装驱动力
分子间的弱相互作用力，如氢键、π-π相互作用等，这些力可以诱导分子按照一定的方向和排列方式结合，形成 有序的结构。
自组装驱动力
自组装的驱动力主要来自于熵驱动和能量最小化。在一定条件下，分子或结构单元会自发形成有序结构以降低系 统的总能量和提高系统的熵值。
分子组装与自组装的构筑单元
生物学与化学的交叉
研究生物分子在液固界面的吸附、扩散和反应， 为生物医学工程和生物技术提供理论基础。
3
工程学与化学的交叉
研究表面张力、润湿性等液固界面现象在工业生 产中的应用，提高产品质量和降低能耗。
实际应用中面临的挑战与解决方案
界面稳定性问题
在某些条件下，液固界面可能发生不稳定性，如涟漪、破裂等现象 ，需要深入研究其产生机制和解决方案。
04 液固界面分子组 装与自组装
分子组装与自组装的定义与分类
物理化学中的界面现象
物理化学中的界面现象物理化学是研究物质结构和性质，探究物质变化和反应机理的学科。
在复杂化学结构中，界面现象是一个重要的研究领域。
界面现象在物理化学中有着广泛的应用，教育学者用来解释液体物理现象、悬浮液体、乳液的形成及表面活性剂现象。
本文将深入探讨物理化学中的界面现象。
一、界面现象概述界面现象是物理化学中的一个重要概念，指两种物质之间的界面区域，具有独特的物理化学特性。
例如，液体与气体之间的表面产生的现象，或者两种液体或固液之间的接触面。
形成界面是由于不同物质间的接触，形成一个分界面，具有独特的能量和化学特性。
物理化学中常常以界面和晶界为结合点，展示物质结构和性质方面的共通性和特殊性。
界面现象对于物质的粘度、湿润、流变性质、变形行为等方面产生重要影响。
因此，研究界面现象对于理解物质的特性和属性，以及探究物质结构、能量转移和反应机理是至关重要的。
二、界面现象的分类物理化学中的界面现象可以分为气液界面、液液界面、液固界面、气固界面四个类别。
下面将分别进行讲解。
1. 气液界面气液界面是指气体与液体之间的界面现象。
这种界面现象常常被观察到，例如许多常见的液滴、气泡和泡沫。
气液界面有着重要的物理和化学特性，包括表面张力、液体湿润性、表面活性剂和胶体等。
2. 液液界面液液界面指两种不同液体之间的界面现象。
例如，油和水的混合物中的液液界面。
液液界面的特性包括表面张力、液体改成、液体分离等，这些特性在工业和科学上有着广泛的应用。
3. 液固界面液固界面指液体和固体之间的界面现象。
例如：在某些材料的表面，吸附了液体，所形成的界面。
在液固界面上的特性包括表面张力、液体吸附、电位差和化学反应等。
4. 气固界面气固界面指气体和固体之间的界面现象。
例如，气体在固体表面的吸附现象。
气固界面影响着固体材料表面的化学反应，对于分子分布和传输行为有着重要的影响。
三、界面现象在物理化学中的应用界面现象在物理化学中有着广泛的应用。
下面将进行列举。
第七讲 液-液界面吸附
§1
吸附作用和吸附热
吸附量：由于吸附的复杂性，可以有多种表示法，如对于气-固
而言，mg/ms来表示，即单位质量的固体吸附气体的质量Vg/ms也可以。
Vg/S表示单位面积的吸附量，因此必须知道固体的比表面积 = St/ms。 对溶液（液相吸附），可以是mol/g固。 吸附靠的是普遍存在于分子之间的Vander waals力，因此，吸附 量主要取决于表面积的大小，而不是表面特殊的性质，例如化学性
Wi：浸润功 >0，自发。
浸湿过程
二、超低界面张力
（3）铺展
以固液界面取代固气界面的同时，液体表面扩展的过程。
液体在固体上的铺展
铺展系数
S sg sl lg 0
时自发
S sg sl lg Wa 2 lg Wa Wc Wi Wlg A lg
面积，用粗糙因子表示真实表面积与表观面积之比，润
湿方程经粗糙因子校正为：
sg sl lg cos
' ：粗糙表面接触角
故
'
cos ' cos 1
Wenzel方程
二、超低界面张力
上式表明：粗糙表面的接触角余弦函数（绝对）值总 是比平滑平面的绝对值大，即θ >90°时表面粗化将使θ 变 大，而θ < 90°时表面粗化将使θ 变小。 提示：对于具有润湿性的体系，表面粗化对体系润湿 性起促进作用。而对于不能相互润湿的体系，表面粗化则 使体系更不润湿。 例如：吊片法——打毛； 防水材料——保持表面粗糙。
二、超低界面张力
（1）表面不均匀性
如果液体表面由对液体具有不同亲和力的a、b两部分组成，
两者各占有表面分数xa和xb。这种表面称为复合表面。
液体流动中的多相流与界面现象研究
液体流动中的多相流与界面现象研究液体流动中的多相流与界面现象是流体力学中的一个重要研究领域，旨在探讨液体在流动过程中与各种界面的相互作用与现象。
本文将从多相流概念的介绍、界面现象的分类与研究方法、多相流数学模型以及应用等方面展开讨论。
一、多相流的定义和分类多相流是指在流动过程中存在两个或两个以上相（固体、液体或气体）的流动状态。
根据相间分布的不同，多相流可以分为均质流和非均质流。
均质流是指两相或多相混合均匀的流动状态，如气泡在液体中的均匀分布。
非均质流则是指相间存在明显的界面和分布差异，如液滴在气体中的分散分布。
二、界面现象的分类与研究方法界面现象是多相流中液体与界面的相互作用表现，常见的界面现象包括液滴的产生和脱落、气泡的生成和运动、泡沫的稳定性等。
根据界面现象的特点，可以将其分类为粗糙界面和纳米尺度界面。
粗糙界面是指界面的波动较大，表现为液滴表面的变形和气泡的波动。
纳米尺度界面则是指界面的波动较小，表现为分子层与分子层之间的相互吸引力和排斥力。
研究多相流与界面现象的方法有实验研究和数值模拟两种主要方式。
实验研究是通过设计实验装置，观察和记录多相流的流动过程与界面现象，并运用影像处理技术等手段进行数据分析。
数值模拟则是利用计算流体力学方法，构建数学模型，模拟流体在流动过程中的多相状态和界面行为。
三、多相流数学模型多相流数学模型是研究多相流和界面现象的重要工具，常用的数学模型包括欧拉模型、拉格朗日模型和体积法模型。
欧拉模型是将多相流体看作连续介质，通过控制方程和运动方程来描述多相流体的流动行为。
拉格朗日模型则是将多相流体看作由无数微粒组成的离散系统，在粒子尺度上研究流体的运动特性。
体积法模型是一种介于欧拉模型和拉格朗日模型之间的折中方法，通过将流体划分为控制体，并建立质量守恒、动量守恒和能量守恒的方程来描述流体的运动。
四、多相流与界面现象的应用多相流与界面现象的研究具有广泛的应用价值。
在化工工艺中，研究多相流可以帮助优化反应器设计和提高反应效率。
液体的界面现象
內聚力：管內液面
，且成
狀。例如：
。
４. 接觸角（α ）：液體與玻璃管接觸的液面與管壁的夾角，稱為
。
(1) 內聚力＞附著力：α ＞接觸角 90°（鈍角），管內液面下降，且成凸狀。
(2) 內聚力＜附著力：α ＜接觸角 90°（銳角），管內液面上升，且成凹狀。
５. 實例：
(1) 墨水由鋼筆筆尖細縫流出。
(2) 油燈燈蕊吸油上升、酒精燈燈蕊吸酒精上升。
2液體向下的重量 W＝ρ Vg＝ρ (π r2y)g
(4) 1向上的力 F⊥ ＝2向下的力 W@2π rTcosα ＝ρ (π r2y)g
F’
y
T
T
F
F
T
T
yW
物質科學（物理篇）下冊
第九章 流體的性質
§9-4：液體的界面現象 P13
@ y = 2T cos α ρgr
(5) 圖左平衡時：1拉力 F 垂直向下的分量 F⊥ ＝2π rTcosα 2壓力 P 所產生向上的拉力 PA＝ρ gyπ r2
物質科學（物理篇）下冊 第九章
(3) 毛巾下端浸水，水沿纖維細縫上升，使整條毛巾變濕。 (4) 毛筆、水彩筆沾墨水。 (5) 植物莖中的導管，吸水上升。
五、 毛細管定律：
１. 毛細管定律：毛細管插入同一液體中，管內外液面差 h 與毛細管的內徑 d 成反比，
物質科學（物理篇）下冊 第九章 流體的性質
§9-4：液體的界面現象 P10
(4) 自來水管口滴下的水滴成圓球形。
(5) 水銀、露珠皆成圓球形。
(6) 杯內水滿，卻不外溢。
５. 表面張力的特性：
(1) 表面張力只出現在液體表面的一層分子，液體內部沒有表面張力。
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液体 硝基苯
S2 1
S2' 1
3.8
己烷
3.4
庚烷（30oC） 0.2
邻二甲苯 －3.3
二硫化碳 －8.2 －9.9
溴仿
－9.6
铺展过程为自由焓自动降低的过程，即自发过程。下
面将证明 S1 2＞0 时自由焓减少（自发过程）
推导过程如下：
假定T、P条件恒定，界面自由焓G仅为各相界面积A1、
A2、A12的函数 G f A1, A2 , A12
1d 2d
此时二液体的界面剩余自由焓应为两液体界面剩余自 由焓之和：（具有加和性质）
12 1 1d2d 2 1d2d 1 2 2 1d2d
测定烃－水界面张力 Г12、
和 烃d 2
1H 2O
值，可以上式求出
d
1H2O
进而求出
h H2O
这样就可得知两种不同的分子间力对表面自由焓的贡
设所降低的自由焓全部用于做功，则有：
dG dw
故而导出： o
这就是说：单位表面自由焓的降低等于膜作用于单 位长度障碍物上的压力，即表面压。
② 表面压的测定及膜状态
AM
BW
移动分割板A，膜M被压缩， 推动浮子B移动。
根据浮子B移动的位置测定
相应的力。
A
B
或者保持浮子B不动，测定
作用在浮子上面的力，
1 2 12
0
液滴收缩，液体2在液体1 上收缩。
令 S2 1 1 2 12
S2 1 即是铺展系数。
水面上各种液体的铺展系数20℃
最初和最后的 S1 2、S2' 1
液体
S2 1
S2' 1
异戊醇 44.0 －2.7
正辛醇 35.7
油酸 24.6
苯
9.30 －1.2
甲苯 6.8
异戊烷 9.4
第三章 液－液界面特征及现象
本章讨论:
液－液界面及不溶性物质在液体表面上形成单分 子膜时 的行为特征。这里液－液界面以水－液界 面为主。
1. 纯液体间的界面自由焓 分子间色散力
液－液界面自由焓 偶极力 金属键力……
单纯物质
饱和烃（非极性）－不存在永久 偶极，与其它物质间也只有色散力
烃＝烃d
H2O(极性)：
单分子膜的作用：
1766年 Gainas 油可以平浪； 1888年 Franklin 0.5英亩池塘只需1汤匙
油即可平静下来； 1890年 Fayleigh 油酸展开在水面上可抑
制樟脑在水面上跳舞，油酸膜厚 1.6nm单分子膜； 1917年 Langmuir 制造出膜天平测定表面压。
事实：不溶或微溶物质（液体或固体）在气－液界 面上可铺展成很薄的膜，甚至可成为单分子膜。 单分子膜特性： 表面压、表面电势、表面粘度三者均为膜 面积的函数。
收缩
水苯 层层 相相
界 面 相
例：20oC时， Γ水（Γ2）＝72.75 mN/m ， 汞Γ1＝476mN/m，Γ12＝375 mN/m。 问水能否在汞表面铺展？ Γ1－Γ2－ห้องสมุดไป่ตู้12＝476－72.75－375＞0 故水能在汞面铺展。
也有许多液体可以在水面上任意铺展，以致形成单分 子膜。
3. 单分子膜－（不溶性的）
① 表面压－表面自由焓之差π的 物理意义
将细长不渗水的两张纸片平行靠近浮在水面上，在纸片 缝隙间滴一滴油酸。 纸片迅速被推开。 显然展开的油膜对纸片产生一推动力。 设纸片边长为l，作用于单位长度上的力为π
当纸片迁移dz距离时，作的功为：
dw ldz
油酸在水面铺展促使其自由焓降低为：
dG o ldz
即将 1 2 用溶液的界面张力 1'、2' 来替代
以纯水－苯体系为例：
水层（含少量苯）、
苯层（含少量水） 水－苯界面
第一滴苯进入水面时，
S2 1 72.8 28.9 34.6 9.3 ＞0 铺展
由于苯能微溶于水，故再滴入苯时，
S
' 2
1
1'
2' 12
62.2 28.8 34.6 1.2 0
A0
A ｎｍ2／分子
似气膜： A RT 与理想气体状态方程形成相似。
0.1mN m1 时可适用。
似液膜：描述该膜的π～A关系比较复杂。 似固膜：其压缩性很小，密度很高，性质
使液滴收缩 Г2
dA2
dA12
Г12 使液滴收缩
以水－苯为例: 在水面上加一滴苯，开始迅速展开，继续滴加，则 苯滴收缩形成凸透镜形状浮在水面上。
当苯滴定形后，三个力成平衡。即：
1 2 cos 12 cos
一般晶状液滴很薄， 0
故有： 1 2 12
当
1 2 12
0
液滴展开，液体2在液体1 上展开；
将G对A作全微分：
dG
G A1
dA1
G A2
dA2
G A12
dA12
铺展过程中面积的变化关系为：
dA2 dA12 dA1 －水的界面减小了！
代入上式得： dA12 （均用代替）
dG
G A1
dA12
G A2
dA12
G A12
dA12
G A1
G A2
G A12
dA12
所以
dG G G G dA12 A1 A2 A12
令
G A1
1
G A2
2
G A12 12
便可得：
dG dA12
1 2
12
S21
符号相反
由此可见，当 S2 1＞0 时，铺展过程为自由 焓减小的过程，即为自发过程。
S2' 1 ＜0最终形成不溶的晶状液滴
注意：上述判别式只针对互不相溶
的二液体适用。
对于微溶于水的液体应考虑溶解后的溶液的表面及 界面张力。
就可以测得加膜前后两者
H2O
表面张力之差，即表面压
o
似气膜
A 在形成单分子膜之前，表面压π
A 似液膜 与膜面积有关。
随着膜面积减小，膜的形态由
似固膜 A
似气膜→似液膜→似固膜。
不同条件下的膜性质存在明显的差异，三种形态 的膜表现出不同的π～A函数关系，如图所示：
π mN/m
似 似液 固
似气
H2O
d H2O
Hh2O
汞Hg：
ΓHg ΓdHg ΓmHg
色散力 偶极力
金属键力
水与饱和烃接触时：其力的分布如下图：
Г2
1d 2 d
液1（烃）
液2（水）
1d 2d
Г1
以色散力为主的界面厚度只几个分子厚，即0.1～1nm。
液1和2接触后，会引起二者界面自由焓的下降，下降 值为二液体色散力之几何平均值
献。同样地，也可求出汞的
汞d 和汞m
界面张力的测定方法同前，如滴重法、圆环法等。
2. 铺展系数
在水面上加一滴某种不溶或微溶于水的纯液体时会出 现的情况与界面张力有关。 ① 液滴迅速展开 ② 根本不展开 ③ 刚开始展开，而后又收缩 下面根据界面张力来判断何时展开，何时不展开，何 时会先展开后收缩。
使液滴铺展 Г1