化学原理：第三章 表面现象

第一节 表面张力和表面能
——
表 面 张 力 的 理 解
丝线圈内肥皂膜未刺破时
丝线圈内肥皂膜刺破时
力
金属环上系一丝线圈，把金属环连同丝线圈一起浸入肥皂液中，然
的 角 度
后取出，环中就形成一层液膜，而丝线圈可在液膜上自由游动。如果把 丝线圈内的液膜刺破，丝线圈即被弹开形成圆形，就好象液面对丝线圈
沿着环的半径方向施加向外的拉力一样。由此可知，当液膜未被刺破时，
——
第一节 表面张力和表面能
（1）温度：T↑ ↓，通常每升高10℃，表面张力降低1mN/m
表
解释： T↑→ 分子间距↑→分子间引力↓→净吸引力↓
面
张 力 的
（2）压力：p↑ 显著）
↓，通常每升高10atm，表面张力降低1mN/m（气液界面
影 响
解释： p↑→ 分子间距↓→对表面分子的引力↑→净吸引力↓
（2）采油过程：油层被打开之前就存在着气液界面、液液界面、 固液或固气界面，其界面现象相对简单；打开之后的采油过程中， 由于流体的流动，界面现象变得复杂、多样。
（3）集输过程：原油破乳、管道防腐、原油降凝降粘、除垢防 垢都是界面行为。
界面现象普遍存在于钻井、采油、集输过程，应该学习并掌 握基本界面现象和应遵循的基本规律。
石油工程中的界面现象
（1）钻井过程：钻井液与井壁、钻井液滤液与地层岩石、固相 颗粒与油或水界面都属于固液界面；
水包油或油包水乳化钻井液中的油水界面属于液液界面；
充气钻井液与泡沫钻井液中存在气液界面。
对钻井过程中界面现象的正确认识和应用可使钻井液保持良 好的性能，避免井下复杂事故的发生，为安全、优质、快速钻井 创造条件。
第一节 表面张力和表面能
将一个薄纸板剪成三角形，并在其底边上剪出一个凹槽，在凹槽
表
上涂一点肥皂（即表面活性剂）后，将其放入清水中，薄纸板就会
面 张 力
自动按箭头所示方向运动。如果不在凹槽上涂抹肥皂，结果怎样呢？ 为什么涂抹肥皂与否会产生截然不同的现象呢？
的 理 解
总结：这是因为与肥皂接触的水的表面张力小，而没有肥皂的各 边水的表面张力大；表面张力是一种收缩力，作用在表面的边界线
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
——
第一节 表面张力和表面能
由于净吸引力的存在，
表 面
把内部分子移到表面所作的
张 表面功转化为表面分子的位
力 的 理
能，单位表面的表面分子所 具有的位能（即表面能）就
解 是表面张力。
能 的 角
U s A
J m2
N m m2
N m
度
从单位上来看，实质是表面张力的单位。
因
素 （3）相界面性质：物质不同，分子吸引力不同，表面层分子受到的净吸
引力不同。由此可以推知，两相物质分子大小、质量、分子间距等性质
越接近， ↓。
如：水-正辛烷=50.8mN/m， 水-正辛醇=8.5mN/m， 水-汞=375.8mN/m。
第一节 表面张力和表面能
表
面 分
[Us]——J，[A]——m2，
子
受 力
[]——J• m-2=N • m • m-2=N • m-1
分
析
及 概
所以又可看作是作用在单位长度表面
念 的
上 的 力 ， 即 表 面 张 力 （ surface
引 出
tension或interfacial tention）。
度
L
把金属丝弯成U形框架，另一根金 属丝可在框架上自由滑动。把框架放在 肥皂液中，取出后，框架上就有了一层 肥皂膜。由于表面张力的作用，肥皂膜 会把可滑动的金属丝拉上去，一直到框 架顶部。如果在金属丝下面悬挂一重物， W2，当W2与可滑动金属丝的质量W1之 和与向上的表面张力2L平衡时，金属 丝就保持不再滑动。由于肥皂膜有正反 两个表面，因此，表面张力在总长度为 2L的边界上作用，所以肥皂膜将金属 丝向上的拉力为F= ·2L=W1+W2。
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第三章 表面现象
前言 第一节 表面张力和表面能 第二节 曲界面两侧的压力差 第三节 吸附 第四节 润湿 第五节 毛细管现象 小结
前言
表面现象：指发生在表面上的一切物理化学现象。 界面分类：按照物质的三态可分为气液、气固、液液和液固 四种。通常把两相中有一相为气相的界面称为表面。 注意：界面并不是简单的二维几何平面，而是从一个相到另 一个相的过渡层。该过渡层具有一定厚度（约几个分子层厚）， 其性质与相邻两相的性质不同，但又是由相邻两相所含物质的性 质所决定的。因此，研究界面现象，必须研究整个体系的性质。
丝线也受到同样的拉力，只是由于丝线两侧都有液膜，液膜对丝线各部
分施加的净拉力为零。
表面张力是一种收缩力，作用在表面的边界线上，垂直于边
界线向着表面的中心并与表面相切，或者是作用在液体表面上任 一条线的两侧，垂直于该线，沿着液面拉向两侧。
第一节 表面张力和表面能
——
表
面
张
力
的
理
解
2L
力
W1
的 角
W2
析 及 概
的净吸引力，因此，要把内部分子移到表面上来，就需要克服 净吸引力而做功，所做的功转变为表面分子的位能，表面分子
念 的 引
比内部分子多具有的能量就叫表面能（Us）。显然，表面积 （A）越大，表面分子越多，表面能（Us）越大。
出
Us A
U s A
Biblioteka Baidu U s U s
A A
——比表面能，即单位表面所具有的能量。
上，垂直于边界线并与表面相切；因此，薄纸板各方向受到的力不
能相互抵消，合力F的方向向右，导致薄纸板向右运动。
力 的 角 度
——
第一节 表面张力和表面能
由于净吸引力的存在，
表 把内部分子移到表面，增加
面 张 力
单位表面所作的表面功就是 表面张力。
的
理
解
W A
J m2
N m m2
N m
功
的
角
度
研究界面现象，必须首先搞清界面现象产生的原因及其实质。
第一节 表面张力和表面能
表面张力和表面能是物质表面
层分子与物质本体分子相互作用的
表 宏观表现，物质的表面层分子与本
面 分 子
体分子的受力状况不同。溶液内部 分子所受周围分子的吸引力可以相
受 互抵消而处于受力平衡状态，而表
力 分
面层分子则受到一个指向液体内部
第一节 表面张力和表面能
人类对一个事物的认识和理解是不断发展变化的，分析 问题和解决问题的角度也是多方面的。例如：圆锥和光
表 面 张 力 的 理 解
圆锥
侧面——三角形
底面——圆
光电效应（E=mC2）角度：光子、粒子性；
波的角度：光是一种电磁波。因此，光具有波粒二象性。
同样，对于表面张力的理解也可以分为以下几个方面。