第一章 表面张力与表面自由能
合集下载
表面张力
11
2、 表面能
从功能关系来考察表面张力系数与液 体表面能的关系。见图5-6。
12
外力所作的功为
E A S S
（J· m-2）
即增加单位液面所增加的势能。 由上式可知， α 在数值上等于增加单位液 面时外力所作的功，从能量的角度看，其大小 等于增加单位液面时所增加的表面自由能。 那么液体表面能的减小可以通过下面任 一种自动过程来实现：
2
一、 表面张力和表面能
1、 表面张力
液体具有收缩其表面，使表面积 达到最小的趋势。这说明液体表面存 在着张力，这种张力称为表面张力。 表面张力产生的原因，可以用分 子间相互作用的分子力来加以解释。
3
分子间的平衡距离r0的数量级约 为10-10m。 当两个分子间的距离 r = r0 时，分 子间的作用力为零。
当两分子间的距离大于r0而在10-10～ 10-9m时，分子间的作用力表现为引力; 而当分子间的距离大于 10-9m时， 引力很快趋于零。
4
如果以10-9m为半径作一球面， 显然则只有在这个球面内的分子才 对位于球心上的分子有作用力。
分子作用球 ——分子引力作用范围是 半径为 10-9m 的球形，球的半径称为 分子作用半径。
3、肺泡的表面张力
表面活性物质在呼吸过程中起着重要 的作用： 1、稳定肺泡；2、减少呼吸功。
36
37
人的肺泡总数约为3亿个，各个肺泡的 大小不一，而且有些肺泡是相连的。 在充满空气的肺中，既有肺组织的弹 性力，又有衬在肺泡表面液层组成的 气、液界面上的表面张力。 而对于肺充气来说，大部分压力是来 克服表面张力的。 肺泡的表面液层中分布着有一定量的、 由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性 物质，起降低表面张力系数的作用。
2、 表面能
从功能关系来考察表面张力系数与液 体表面能的关系。见图5-6。
12
外力所作的功为
E A S S
（J· m-2）
即增加单位液面所增加的势能。 由上式可知， α 在数值上等于增加单位液 面时外力所作的功，从能量的角度看，其大小 等于增加单位液面时所增加的表面自由能。 那么液体表面能的减小可以通过下面任 一种自动过程来实现：
2
一、 表面张力和表面能
1、 表面张力
液体具有收缩其表面，使表面积 达到最小的趋势。这说明液体表面存 在着张力，这种张力称为表面张力。 表面张力产生的原因，可以用分 子间相互作用的分子力来加以解释。
3
分子间的平衡距离r0的数量级约 为10-10m。 当两个分子间的距离 r = r0 时，分 子间的作用力为零。
当两分子间的距离大于r0而在10-10～ 10-9m时，分子间的作用力表现为引力; 而当分子间的距离大于 10-9m时， 引力很快趋于零。
4
如果以10-9m为半径作一球面， 显然则只有在这个球面内的分子才 对位于球心上的分子有作用力。
分子作用球 ——分子引力作用范围是 半径为 10-9m 的球形，球的半径称为 分子作用半径。
3、肺泡的表面张力
表面活性物质在呼吸过程中起着重要 的作用： 1、稳定肺泡；2、减少呼吸功。
36
37
人的肺泡总数约为3亿个，各个肺泡的 大小不一，而且有些肺泡是相连的。 在充满空气的肺中，既有肺组织的弹 性力，又有衬在肺泡表面液层组成的 气、液界面上的表面张力。 而对于肺充气来说，大部分压力是来 克服表面张力的。 肺泡的表面液层中分布着有一定量的、 由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性 物质，起降低表面张力系数的作用。
第1章表面张力与表面自由能
★ 1869年达普里（A.Dapre）研究了润湿和黏附 现象，将黏附功与表面
张力联系起来。
★ 1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力随
温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率的变化的方程 即著名的开尔文方程。
13
1.3 发展历史
★1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度为 零的吉布斯界面模型，他首先应用数学推理的方法指出了在界面区上的 物质浓度一般地不同于各本体相中的浓度，从而使这一新型学科一开始 就建立在稳固的理论基础上。他还导出了联系吸附量和表面张力随体相 浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。
1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成109m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
11
表面表征指标之一：比表面与分散度
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特 的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。如多孔电极由于 其表面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催 化剂由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外，将药 物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细 微粒具有独特的表面效应。
7
1.2表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：气-液表面，气-固表面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。
1.气-液表面
2.气-固表面
3.液-液界面
4.固-固界面
8
1.2 表面和界面(surface and interface)
张力联系起来。
★ 1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力随
温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率的变化的方程 即著名的开尔文方程。
13
1.3 发展历史
★1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度为 零的吉布斯界面模型，他首先应用数学推理的方法指出了在界面区上的 物质浓度一般地不同于各本体相中的浓度，从而使这一新型学科一开始 就建立在稳固的理论基础上。他还导出了联系吸附量和表面张力随体相 浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。
1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成109m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
11
表面表征指标之一：比表面与分散度
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特 的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。如多孔电极由于 其表面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催 化剂由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外，将药 物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细 微粒具有独特的表面效应。
7
1.2表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：气-液表面，气-固表面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。
1.气-液表面
2.气-固表面
3.液-液界面
4.固-固界面
8
1.2 表面和界面(surface and interface)
液体界面性质1表面能与弯曲液面
一张圈起力内浸大侧入小张肥相力皂等消液方失中向，，相外取反侧出，表后所面，以张 上线力清面圈立楚形成即的成任将显一意线示液形圈出膜状绷表。可成面在一张液个力膜圆的上形存移，在。 动；
2020/5/11
1.1表面张力与表面能
表面张力
从力的角度看，表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或 与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面 收缩力，称为表面张力。 [典型事例2]
表面层分子受力分析
以气-液界面为例
•相内分子 所受合力为零
•表面分子 所受合力不为零，且
指向液体内部，称净吸力。 •从力的角度分析
表面分子趋向进入体相内部,致使表面处处有一种紧缩力。 液体表面最基本的特性是倾向于收缩，如常见的水银珠和荷叶 上的水珠那样。
2020/5/11
界面分子与相内分子所处的环境不同
由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、
液相压力差称为弯曲液面的附加压力，以Δp表示，
定义：
Δp def pl- pg
式中， pl和pg分别为弯曲液面的液相一侧和气相一
侧所承受的压力。
•定义 p p液体 p气体
内液体
1.1表面张力与表面能
表面能 Surface Energy
由于净吸力的存在，体相分子要转移到表面，必须克 服净吸力，需要外界提供非体积功 δW’, 因此表面层分子 比体相分子有额外的势能量。
1. 非体积功 δW’称为表面功，是恒温、恒压和组成恒 定时可逆地增加单位表面积需做的可逆非体积功。
2. 根据热力学理论：在T、P及组成恒定时，环境所做 的可逆非体积功，在数值上等于系统吉布斯函数增加值。 所以系统表面扩展时，系统得到的表面功应等于吉布斯函 数增加值。
2020/5/11
1.1表面张力与表面能
表面张力
从力的角度看，表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或 与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面 收缩力，称为表面张力。 [典型事例2]
表面层分子受力分析
以气-液界面为例
•相内分子 所受合力为零
•表面分子 所受合力不为零，且
指向液体内部，称净吸力。 •从力的角度分析
表面分子趋向进入体相内部,致使表面处处有一种紧缩力。 液体表面最基本的特性是倾向于收缩，如常见的水银珠和荷叶 上的水珠那样。
2020/5/11
界面分子与相内分子所处的环境不同
由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、
液相压力差称为弯曲液面的附加压力，以Δp表示，
定义：
Δp def pl- pg
式中， pl和pg分别为弯曲液面的液相一侧和气相一
侧所承受的压力。
•定义 p p液体 p气体
内液体
1.1表面张力与表面能
表面能 Surface Energy
由于净吸力的存在，体相分子要转移到表面，必须克 服净吸力，需要外界提供非体积功 δW’, 因此表面层分子 比体相分子有额外的势能量。
1. 非体积功 δW’称为表面功，是恒温、恒压和组成恒 定时可逆地增加单位表面积需做的可逆非体积功。
2. 根据热力学理论：在T、P及组成恒定时，环境所做 的可逆非体积功，在数值上等于系统吉布斯函数增加值。 所以系统表面扩展时，系统得到的表面功应等于吉布斯函 数增加值。
表面张力和表面自由能
1,2 1 2
这个经验规律称为 Antonoff 规则
表面热力学的基本公式
根据多组分热力学的基本公式
dUT dSpdV B dnB UUS,V,nB B 对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表
面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本 公式为
d U T d S p d V d A s B d n B
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、毛细现象、过饱和状态等。
界面现象的本质
由图可知，液体表面层分子
相
相
h
界面特征
两相间的界面并非几何平面，而是具有 一定厚度的界面层－－界面相
体相 α相
界面 相
界面特征：几个分子 厚、结构和性质与两 侧体相均不同
β相 体相
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比所处的环境不同 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； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相
表面自由能的单位： J m 2
表面张力、表面功及表面吉布斯自由能
①力的角度：单位长度
液面的张力。 N·m-1
②功的角度：增加单位 液面面积时外力所作
的功。 N·m·m-2
③能的角度：增加单位 液面面积时增加的表
面自由能。J·m-2
F L
W dA
(dG dA
) T ,P ,n
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。 由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向于 呈球形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。
这个经验规律称为 Antonoff 规则
表面热力学的基本公式
根据多组分热力学的基本公式
dUT dSpdV B dnB UUS,V,nB B 对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表
面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本 公式为
d U T d S p d V d A s B d n B
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、毛细现象、过饱和状态等。
界面现象的本质
由图可知，液体表面层分子
相
相
h
界面特征
两相间的界面并非几何平面，而是具有 一定厚度的界面层－－界面相
体相 α相
界面 相
界面特征：几个分子 厚、结构和性质与两 侧体相均不同
β相 体相
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比所处的环境不同 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； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相
表面自由能的单位： J m 2
表面张力、表面功及表面吉布斯自由能
①力的角度：单位长度
液面的张力。 N·m-1
②功的角度：增加单位 液面面积时外力所作
的功。 N·m·m-2
③能的角度：增加单位 液面面积时增加的表
面自由能。J·m-2
F L
W dA
(dG dA
) T ,P ,n
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。 由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向于 呈球形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。
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。
石油物性第七讲-表面张力.
Surface 第二节 等张比容（Parachor ） Tension
1923年Macleod发现一定t下，非缔合液体在气—液平衡时，
与气—液两相密度有关，即
式中C是常数，与液体本质有关，在一定范围内为常数。 1924年，Sugder重新处理上式,等式两边同乘以分子量
Sugder称此常数为等张比容（Parachor）以符号[P]表示。即表 示：相等表面张力下，容积之比。
Surface Tension
当T << Tc 时，
[P]为物质的一个固有特性，在一定T范围内与T无关，但密度 和表面张力必须是相同温度下测定的。 当两个液体的表面张力相同时， [P] 之比等于 V 分子体积之比。 由式（5），可得到以下结论：
当在液体的 =1的温度下，其[P]等于该液体的摩尔体积，即 VL = [P]
Surface Tension
压力与表面张力的关系
纯物质：按相律，t一定，P就确定，仅一个变量。 混合物：由于压力P影响了溶解度和吸附性，P增加 m下降。 而物质的Tc愈高， m随P变化下降的幅度愈大。 但P对 m远非如此简单，如n-C5 ～ n-C9 系， 当气体中存在He时，P增加使 m 增加而非 m下降。 所以P对 m影响必须具体物系具体分析。
同C数 ：正烷、烯 < 环烷 < 芳；温度升高，表面张力下降 正构烷烃： C↗ 同温度时的表面张力↗
同C数烃类： 异构<正构
Surface Tension
两相为不同物质时
表2 两相不同物质的表面张力
No. 1 A 水 B 苯 t/℃ 20 A 72.75 B 28.1 AB 35.0
2
3 4
Surface Tension
第一章__液体的界面性质(备)
通常所称的界面是一相到另一相的过度层，约几个分 子厚，所以也称界面或界面相，与界面相邻的两相称为 体相，界面层的性质与相邻两个体相的性质不同，但与 相邻两体相的性质相关。
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）
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）
表面张力和表面自由能
表面自由能则影响物质表面的化学反应、吸附、 02 凝聚等过程。
在一定条件下，表面张力与表面自由能的变化可 03 以相互转化。
表面张力和表面自由能的应用领域
在化学工程领域，表面张力和表面自由能可用于 研究化学反应过程中物质表面的变化。
在材料科学领域，表面张力和表面自由能可用于 研究材料表面的润湿性、吸附性能等。
物质种类对表面张力和表面自由能的影响
总结词
不同物质具有不同的分子结构和性质，因此其表面张力和表 面自由能也存在差异。
详细描述
一般来说，非极性物质的表面张力较小，而极性物质的表面 张力较大。同样，非极性物质的表面自由能较小，而极性物 质的表面自由能较大。此外，物质表面的粗糙度、吸附物质 等也会影响其表面张力和表面自由能。
01 表面张力是表面自由能的一种表现形式，它反映 了液体表面抵抗形变的能力。
02 表面自由能是物质表面所具有的能量，它由表面 张力和微观结构共同决定。
02 表面张力的大小与表面自由能成正比，即表面张 力越大，表面自由能越高。
表面张力与表面自由能在物理现象中的作用
表面张力在液体表面的波动、浸润、吸附等物理 01 现象中起着重要作用。
表面自由能物理意义
表面自由能是物质表面分子间相互作用的重要体现，它决定了物质表面的润湿性 、吸附性、凝聚和分散等性质。
在实际应用中，表面自由能的大小对工业生产、环境保护和生物医学等领域都有 重要影响，例如在材料科学、化学工程、生物医学工程等领域中都有广泛的应用 。
表面张力和表面自由能的关
03
系
表面张力与表面自由能的关系
在化妆品行业中，表面张力对化妆品的质地和持久度有着 重要影响。通过控制表面张力，可以优化化妆品的性能， 提高使用效果和舒适度。
在一定条件下，表面张力与表面自由能的变化可 03 以相互转化。
表面张力和表面自由能的应用领域
在化学工程领域，表面张力和表面自由能可用于 研究化学反应过程中物质表面的变化。
在材料科学领域，表面张力和表面自由能可用于 研究材料表面的润湿性、吸附性能等。
物质种类对表面张力和表面自由能的影响
总结词
不同物质具有不同的分子结构和性质，因此其表面张力和表 面自由能也存在差异。
详细描述
一般来说，非极性物质的表面张力较小，而极性物质的表面 张力较大。同样，非极性物质的表面自由能较小，而极性物 质的表面自由能较大。此外，物质表面的粗糙度、吸附物质 等也会影响其表面张力和表面自由能。
01 表面张力是表面自由能的一种表现形式，它反映 了液体表面抵抗形变的能力。
02 表面自由能是物质表面所具有的能量，它由表面 张力和微观结构共同决定。
02 表面张力的大小与表面自由能成正比，即表面张 力越大，表面自由能越高。
表面张力与表面自由能在物理现象中的作用
表面张力在液体表面的波动、浸润、吸附等物理 01 现象中起着重要作用。
表面自由能物理意义
表面自由能是物质表面分子间相互作用的重要体现，它决定了物质表面的润湿性 、吸附性、凝聚和分散等性质。
在实际应用中，表面自由能的大小对工业生产、环境保护和生物医学等领域都有 重要影响，例如在材料科学、化学工程、生物医学工程等领域中都有广泛的应用 。
表面张力和表面自由能的关
03
系
表面张力与表面自由能的关系
在化妆品行业中，表面张力对化妆品的质地和持久度有着 重要影响。通过控制表面张力，可以优化化妆品的性能， 提高使用效果和舒适度。
第一章气液界面-课件
第一章气－液界面性质1.1液体的表面1.1.1表面张力和表面自由能1.1.2表面热力学基础1.1.3弯曲液体表面的一些现象1.1.4液体表面张力的测定方法1.2溶液的表面1.2.1溶液的表面张力1.2.2溶液的表面吸附引言表面和界面(s u r f a c e a n d i n t e r f a c e)常见的界面有：1.气-液界面2.气-固界面3.液-液界面4.固-固界面1.1液体的表面1.1.1表面张力和表面自由能表面张力液体表面具有自动收缩表面的趋势。
当无外力影响时，一滴液体总是自发地趋向于球形。
而体积一定的几何形体中球体的面积最小。
故一定量的液体由其它形状变为球形时总伴随着面积的缩小。
因为液体表面分子与液体内部分子所处环境不同（所受力不同）考虑一种液体与蒸汽平衡的体系，在液体内部每个分子所受周围分子的吸引是各向同性的，彼此互相抵消。
故处于溶液内部的分子可自由运动无需做功。
而处于表面上的分子则不同，由于气相密度小，表面分子受液体内部的吸引力要大于外部气体分子对它的引力，所以表面层分子受到一指向内部的合力：F＝2γl其中γ代表液体的表面张力系数，即垂直通过液体表面上任一单位长度与液面相切的力。
简称表面张力（s u r f a c e t e n s i o n）是液体基本物化性质之一，通常以m N/m 为单位。
表面（过剩）自由能当分子从液体内部移向表面时，须克服此力作用做功。
使表面分子能量要高于内部分子能量。
于是当液体表面积增加（即把一定数量液体内部分子转变为表面上分子）体系总能量将随体系表面积增大而增大。
表面（过剩）自由能：对一定量的液体，在恒定T，P下，体系增加单位表面积外界所做的功。
即增加单位表面积体系自由能的增加。
d G=－S d T+V d P+γd A注重：表面自由能并非表面分子总能量，而是表面分子比内部分子自由能的增加。
在恒温恒压条件下：d G=γd Aγ=△G/A故表面张力γ：为恒温恒压下增加单位表面积时体系G i b b s自由能的增量，称其为比表面自由能，简称表面自由能。
表面自由能和表面张力的关系
表面自由能和表面张力的关系嘿，大家好，我今天来说说这个表面自由能和表面张力的事情。
其实这两玩意儿，就像是咱们生活中最常见的肥皂泡，看似简单，但里面学问可大了去了。
我小时候，每逢夏天，家里都会洗一堆衣服。
那时候我就会看到我妈拿个肥皂泡泡，往水盆里一扔，“砰”的一声，一个肥皂泡就出来了。
我当时就好奇，为什么肥皂泡能那么圆，那么饱满呢？后来我长大了，学了物理，才知道这其中的门道。
原来啊，肥皂泡之所以那么圆，是因为表面张力在起作用。
表面张力是啥呢？简单来说，就是液体表面分子之间的相互作用力。
就像一个弹簧一样，把液体的表面给拉紧了。
而这个弹簧的力量，就是我们说的表面张力。
咱们再来说说表面自由能。
这玩意儿，就像是表面张力的能量。
为什么液体会有表面张力呢？因为表面分子所处的环境不均匀，它们之间会有一种相互作用，这种相互作用产生的能量，就是表面自由能。
这里有个小细节，你们注意到了吗？肥皂泡里面的水分子，它们要比外面的水分子密集。
这是因为表面张力使得水分子紧紧贴在一起，形成了一个紧绷的表面。
而这个紧绷的表面，就是表面自由能的来源。
咱们再聊聊这两个东西之间的关系。
其实啊，它们就像是一对双胞胎，紧密相连。
表面张力越大，表面自由能也就越大。
就像肥皂泡，表面张力越大，泡就越圆，表面自由能也就越高。
但是，你们可别小看了这个表面自由能。
它可是大有用处呢。
比如，咱们日常生活中的清洁用品，它们之所以能清洗，很大程度上就是靠这个表面自由能。
还有咱们日常用的玻璃杯，上面之所以能形成一层薄薄的水膜，也是因为这个表面自由能。
所以说，这两个看似简单的概念，其实蕴含着大大的学问。
就像咱们平时说的“看似寻常最奇崛，成如容易却艰辛”，生活中看似简单的现象，背后往往隐藏着复杂的科学道理。
嘿，说了这么多，你们是不是对表面自由能和表面张力有了更深的了解呢？嘿嘿，那我就不啰嗦了，咱们下回再见！。
表面张力与表面自由能的异同点
表面张力与表面自由能的异同点
表面张力和表面自由能是材料表面科学中的重要概念，两者有着深刻的内在联系，也有分别的特点。
首先要谈到的是它们的相似之处。
表面张力和表面自由能都是材料表面的性质，它们通常用来评价液体与物体表面之间的相互作用。
表面张力与表面自由能都与表面粗糙度有关，即一个表面越粗糙，它们都会越大。
此外，它们都可以被用来反映液体在物体表面上的行为，例如液滴的宽度、液滴的形状和液滴的自聚集的程度等等zhihou。
然而，表面张力与表面自由能也有各自的区别。
首先，表面张力是指液体在物体表面上的相互作用，而表面自由能是指材料表面容易发生反应而形成新化合物的能力。
其次，表面张力是一个动态的物理度量，而表面自由能是一个固定的化学度量。
最后，表面张力主要依赖于液体在表面上的相互作用，而表面自由能主要是表面分子之间的能量和距离的结合。
总之，表面张力和表面自由能由于拥有一些相似的性质，而得到广泛的应用。
然而，在应用的时候它们也有明显的分别所在，使它们能够更好地发挥作用。
第一章 表界面基础知识
令F=p-W环，R=R’+r，则可得
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
表面吉布斯自由能和表面张力
比表面：通常用来表征物质分散的程度 两种表示方法：
单位质量的物质所具有的表面积
单位体积物质所具有的表面积
Am = A / m 或
m，V : 物质的质量和体积
常用的测定表面积的方法：
AV = A /V
A: 表面积 BET法 色谱法
比表面与分散度
把物质分散成细小微粒的程度称为: 分散度
例: 分割边长为1 cm的立方体时比表面增长情况
A = 4π R'2 dA = 8π R'dR'
得：
ps
=
2γ
R
讨论：
1：ps与曲率半径R呈反比，方向：指向曲面球心。 液滴越小，所受附加压力越大
2：凸面(空气中液滴)： R>0, ps >0 液体内压(p0+ps) > 外压(平面压p0)
3：凹面(液中气泡)： R<0, ps <0 液体内压力(p0-|ps|) < 外压(平面压p0)
F = 2γ l
表面张力（surface tension）
z 在两相界面上，存在着一种张 力，这种力垂直于表面的边界， 指向液体方向并与表面相切
z 垂直作用于单位边界线上的力称为表面
张力，用 g 或 σ 表示。单位是：N·m-1
比较： γ = F /2 l γ = (∂G/∂A)T,P.n
z 一种液体的比表面Gibbs自由能与表面张力，数值 相同，但物理意义不同，单位也不同
表面张力作用，可滑动的边会被
向上拉，直至顶部。
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与总的表面张力大 小相等方向相反，则金属丝不再 滑动。
F = 2γ l
l 是滑动边的长度
物质表面张力
G
nkT
ln
pg pl
4bn2
4 3
bn3
M
ln
pg pl
4bn2
---------（4）
第一项：n 个蒸气分子变成压力为 pl 旳n聚族体液相时旳自由能变化；
第二项：形成半径为bn旳 n 聚族体液相所增长旳表面自由能
（1）当 pg pl , G 0 , bn , G （2） pg / pl 1时， 第二项为负值， G 随 bn 有一最大值，即 bn bnc
Gl
p0 p0
p
V~l
dp
pV~l
2V~l
b
或
RT ln
p/
p0
2V~l
b
2M b
当b很小时，p/p0很大，△G很高，难于自动形成新相。
当b=bnc(临界半径） p/p0很小， △G也小，胚胎轻易形成长大。 蒸气凝聚过程可表达为： 蒸气分子A←→An多聚体（胚胎） ←→临界半径旳族体（液核） ←→液滴
有：
mg 2Rr
即：表面张力所能拉住液体旳最大重量等于管尖周长和液体表面 张力旳乘积。
实际上，液滴旳实际重量要比计算值（mg)小得多，须进行修正，引入
修正系数f，则：
mg 2Rrf
其中：
f
( V
r
1/
3
)
威尔金森经验式：
f
0.9045
0.7249
r V 1/3
0.4293
r V 1/3
2
平衡时： 令：
p 2
R
p gh 2
r
a rh 2 g
a: 毛细常数，
当0<θ<180时，曲率半径
R1
物理化学：12.02 表面张力和表面(吉布斯)自由能
k 2.2 erg/K = 2.2 10 7 J / K
实际上，当 T Tc（接近临界温度）时，界 面已开始弥散。拉姆齐-希尔兹（R-S）修正式：
2021/3/19
Vm2/ 3 k（Tc T 6.0） （常用）
26
六、压力对 的影响
对于纯液体，热力学关系式：
dG SdT VdP dA
2021/3/19 —— 我们称之为 “表面张力”。
9
表面张力 的定义：
表面上单位长度边界线上指向表面内部 （或表面上单位长度任意曲线两边）的 表面收缩力，叫做表面张力。
表面张力 的单位：N / m，dyn / cm
2021/3/19
10
例 1：金属环皂膜
2021/3/19
11
例2
AB 受到皂膜表面张力 f 的向左拉力： f = 2l （肥皂膜有两个表面）
由于液体本身的饱和蒸气压有限要使该液体表面压力增加必须在液体表面上方的气相压入另一惰性气体组分这就会产生如下后果
§12.2 表面张力和表面吉布斯自由能
一、表面自由能
• 如前分析，V-L 表面相分子受到垂直指向 液体内部的吸引力，即表相分子比本体相 分子具有额外的（表面）势能。
• 要使表面积增加，即把分子从体相拉到表 相，外界必须作功。
即体系自由能的改变量等于外界对体系 作的表面功。由 (1)、(2)
dG = dA
2021/3/19
3
dG = dA
G
( A
)T,P,ni
即外界所作的表面功转化为体系自由能
的增加。
显然体系自由能：
G = Gb+ GS
2021/3/19
4
G b : 若所有分子均为体相分子（多相低分 散体系成立）时的体系自由能；
实际上，当 T Tc（接近临界温度）时，界 面已开始弥散。拉姆齐-希尔兹（R-S）修正式：
2021/3/19
Vm2/ 3 k（Tc T 6.0） （常用）
26
六、压力对 的影响
对于纯液体，热力学关系式：
dG SdT VdP dA
2021/3/19 —— 我们称之为 “表面张力”。
9
表面张力 的定义：
表面上单位长度边界线上指向表面内部 （或表面上单位长度任意曲线两边）的 表面收缩力，叫做表面张力。
表面张力 的单位：N / m，dyn / cm
2021/3/19
10
例 1：金属环皂膜
2021/3/19
11
例2
AB 受到皂膜表面张力 f 的向左拉力： f = 2l （肥皂膜有两个表面）
由于液体本身的饱和蒸气压有限要使该液体表面压力增加必须在液体表面上方的气相压入另一惰性气体组分这就会产生如下后果
§12.2 表面张力和表面吉布斯自由能
一、表面自由能
• 如前分析，V-L 表面相分子受到垂直指向 液体内部的吸引力，即表相分子比本体相 分子具有额外的（表面）势能。
• 要使表面积增加，即把分子从体相拉到表 相，外界必须作功。
即体系自由能的改变量等于外界对体系 作的表面功。由 (1)、(2)
dG = dA
2021/3/19
3
dG = dA
G
( A
)T,P,ni
即外界所作的表面功转化为体系自由能
的增加。
显然体系自由能：
G = Gb+ GS
2021/3/19
4
G b : 若所有分子均为体相分子（多相低分 散体系成立）时的体系自由能；
1-第一章-液体表面-1.3~1.4
41
四、Kelvin公式
设平面液体的数量为1mol，其
摩尔体积为Vm，分散后液滴的
半径为r。
可以设想通过两种不同的途径来实现这个过程：
（1）直接分散（只考虑起始/最终状态）
则该过程的吉布斯自由能变化为： G Vm dp
Vm是液体的摩尔体积。在平面下，液体所受的压力为p0，在凸液面下
受到的压力为pr。积分得到：
20
二、Laplace方程
用拉普拉斯方程还可以解释很多表面现象。
例如：为什么自由液滴和气泡都呈球形？
若液滴为不规则形状，液体表面各点 的曲率半径不同，所受到的附加压力 大小和方向都不同。
球形液滴表面受到指 向球心的大小相等的 力，合力为０。
这些力的 作用最终会 使液滴成球 形。
21
二、Laplace方程
46
四、Kelvin公式
液滴（气泡）半径与蒸气压关系
r /m pr* / p*
小液滴 小气泡
105 1.0001 0.9999
106 1.001 0.9989
6.根据相似三角形原理可得：
(x dx) /(R1 dz) x / R1 ( y dy) /(R2 dz) y / R2
7.将dx、dy代入(A)式，得：
化简得dx xdz/R1 化简得dy xdz/R2
p
1 R1
1 R2
此式即拉普拉斯方程 （Laplace equation）。
8.如果是球面，则
25
三、毛细现象
（2）力学角度解释：
在液体与固体连接处，液体的 表面张力作为收缩表面的力作 用于固体，固体必然以大小相 同，方向相反的力施与液体， 使液体沿其合力的方向运动， 直到毛细上升的液柱的高度产 生的重力抵消了表面张力的作 用为止。
四、Kelvin公式
设平面液体的数量为1mol，其
摩尔体积为Vm，分散后液滴的
半径为r。
可以设想通过两种不同的途径来实现这个过程：
（1）直接分散（只考虑起始/最终状态）
则该过程的吉布斯自由能变化为： G Vm dp
Vm是液体的摩尔体积。在平面下，液体所受的压力为p0，在凸液面下
受到的压力为pr。积分得到：
20
二、Laplace方程
用拉普拉斯方程还可以解释很多表面现象。
例如：为什么自由液滴和气泡都呈球形？
若液滴为不规则形状，液体表面各点 的曲率半径不同，所受到的附加压力 大小和方向都不同。
球形液滴表面受到指 向球心的大小相等的 力，合力为０。
这些力的 作用最终会 使液滴成球 形。
21
二、Laplace方程
46
四、Kelvin公式
液滴（气泡）半径与蒸气压关系
r /m pr* / p*
小液滴 小气泡
105 1.0001 0.9999
106 1.001 0.9989
6.根据相似三角形原理可得：
(x dx) /(R1 dz) x / R1 ( y dy) /(R2 dz) y / R2
7.将dx、dy代入(A)式，得：
化简得dx xdz/R1 化简得dy xdz/R2
p
1 R1
1 R2
此式即拉普拉斯方程 （Laplace equation）。
8.如果是球面，则
25
三、毛细现象
（2）力学角度解释：
在液体与固体连接处，液体的 表面张力作为收缩表面的力作 用于固体，固体必然以大小相 同，方向相反的力施与液体， 使液体沿其合力的方向运动， 直到毛细上升的液柱的高度产 生的重力抵消了表面张力的作 用为止。
界面化学第1章
沸腾现象是液体从内部形成气泡、剧烈汽化的现象。 这时液体的压力恒定，气泡的内部压力必大于液相压 力，压差由Laplace公式决定。
1 T 1 T0 R H
v
ln( 1
2 rp
0
)
因为此种情况下液面的曲率半径是负的，故气液平衡 温度将升高。气泡越小，温度越高。实际上，如果液 体十分纯净，无微粒亦无溶解的气体释放出来作为核 心，则必然出现过热现象。
pr 2
p ( pr p0 )
p p0
很小时，简化为 p 2M
p0 RTr
第一章 绪论 ——Kelvin公式
1n(P/P0)对曲率的线性关系 及 20℃时水的蒸气压力随水滴大小变 化的情况。
第一章 绪论 ——Kelvin公式
① 蒸气凝结时的过冷
联立
S g dT V g dp S l dT V l dp
p p 1 p g ( dA dV )
若液滴为半径为R的球形dA/dV = 2/R 故
P 2 / R
第一章 绪论 ——液体表面
如果液面不成球形，对于液面上主半径为Rl和R2的任意点，取一微 小面积元abcd(见图1-12)，是面积扩大一无限小量时， X → X + dX Y → Y + dY Z → Z + dZ 相应的体积增量和面积增量为 dV = XYdZ dA = d（XY）= XdX + YdY 合并此二式得到 dA/dV = (dY/Y + dX/X)/dZ 图中三角形AOB与A’OB’，三角形BO’C与B’O’C’ 可看作相似三角形，故 dX = XdZ / R1 dY = YdZ / R2 于是得到 dA/dV =（1/R1+1/R2） 代入式（1-37）得到 P (1 R 1 R )
1 T 1 T0 R H
v
ln( 1
2 rp
0
)
因为此种情况下液面的曲率半径是负的，故气液平衡 温度将升高。气泡越小，温度越高。实际上，如果液 体十分纯净，无微粒亦无溶解的气体释放出来作为核 心，则必然出现过热现象。
pr 2
p ( pr p0 )
p p0
很小时，简化为 p 2M
p0 RTr
第一章 绪论 ——Kelvin公式
1n(P/P0)对曲率的线性关系 及 20℃时水的蒸气压力随水滴大小变 化的情况。
第一章 绪论 ——Kelvin公式
① 蒸气凝结时的过冷
联立
S g dT V g dp S l dT V l dp
p p 1 p g ( dA dV )
若液滴为半径为R的球形dA/dV = 2/R 故
P 2 / R
第一章 绪论 ——液体表面
如果液面不成球形，对于液面上主半径为Rl和R2的任意点，取一微 小面积元abcd(见图1-12)，是面积扩大一无限小量时， X → X + dX Y → Y + dY Z → Z + dZ 相应的体积增量和面积增量为 dV = XYdZ dA = d（XY）= XdX + YdY 合并此二式得到 dA/dV = (dY/Y + dX/X)/dZ 图中三角形AOB与A’OB’，三角形BO’C与B’O’C’ 可看作相似三角形，故 dX = XdZ / R1 dY = YdZ / R2 于是得到 dA/dV =（1/R1+1/R2） 代入式（1-37）得到 P (1 R 1 R )
表面张力和表面自由能的异同点
表面张力和表面自由能的异同点
表面张力和表面自由能是液体表面现象的重要性质，它们在液体与外界界面相互作用中发挥着关键作用。
下面我们来看一下它们的异同点：
表面张力
表面张力是指液体表面分子之间的相互作用力，使得液体表面呈现出一种“薄膜”的特性。
表面张力可以通过测量液滴或液体薄膜的形状来确定。
表面张力决定了液体表面的紧致程度和液滴的形状稳定性。
表面自由能
表面自由能是指液体表面分子与周围环境分子之间的相互作用能，也可以理解为单位面积液体表面所具有的自由能。
表面自由能可以通过测量液体表面的吸附现象来确定。
表面自由能决定了液体分子在表面附近的排列方式和表面活性。
异同点
1. 相关性：表面张力和表面自由能都与液体表面分子之间的相互作用有关，但侧重点不同。
2. 定义：表面张力是液体表面分子之间的相互作用力，而表面自由能是液体表面分子与周围环境分子之间的相互作用能。
3. 测量方式：表面张力可以通过测量液滴或液体薄膜的形状来确定，而表面自由能可以通过测量液体表面的吸附现象来确定。
注意：此处提供的内容仅供参考，具体细节还需要进一步了解和研究。
液体表面自由能和表面张力的关系
液体表面自由能和表面张力的关系
液体表面自由能和表面张力是密切相关的两个概念，它们在液体表面的性质研究中起着重要作用。
液体表面自由能是指液体表面上单位面积所拥有的自由能，其大小取决于液体分子间的相互作用力和表面面积等因素。
液体表面自由能越大，液体分子越容易从液态转变为气态，因为气态分子所拥有的自由能比液态分子更大。
表面张力是指液体表面所产生的阻力，阻止液体分子从表面向外扩散的能力。
表面张力与液体分子间的相互作用力有关，当液体分子间的相互作用力增强时，表面张力也会增强。
表面张力越大，液体表面越容易形成球形，因为球形表面积比其他形状表面积更小，液体表面自由能也相应减小。
液体表面自由能和表面张力之间的关系可以用杨-拉普拉斯方程式表示，即ΔP=γ(1/R1+1/R2)，其中ΔP表示液体在曲面上的压强差，γ表示液体的表面张力，R1和R2分别表示曲面在液体内部和外部的半径。
这个方程表明了，液体表面张力越大，曲面半径越小，液体分子越容易形成球形表面，表面自由能也相应减小。
因此，液体表面自由能和表面张力是密不可分的两个概念，它们共同影响着液体表面的性质和行为。
在实际应用中，我们可以通过测量液体表面张力来了解液体分子间相互作用力的强度，进而推断出液体表面自由能的大小。
- 1 -。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
11
表面表征指标之一：比表面与分散度
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特 的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。如多孔电极由于 其表面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催 化剂由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外，将药 物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细 微粒具有独特的表面效应。
1克水，当它的外形是一个立方体时，其表面积6cm2；但如果把它喷洒成为直径为10nm小水点时，它 们表面积的总和将增大到一千二百平方米左右，这相当于三个篮球场的总面积。 12
1.3 发展历史
历史上对表面现象的研究是从力学开始的，早在十九世纪初就形成了表 面张力的概念。 ★1805年， T.Young最早提出表面张力概念。指出：系统中两个相接触 的均匀流体，从力学的观点就像是被一张无限薄的弹性膜分开，界面张 力则存在于这一弹性膜中。他还将表面张力概念推广应用于有固体的体 系，导出了联系气—液、固—液、固—气表面张力与接触角关系的杨氏 方程。 ★1806年，拉普拉斯（place）导出了弯曲液面两边附加压力与表 面张力和曲率半径的关系。可用该公式解释毛细管现象。
边长l/m 1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数 1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成109m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
★ 1869年达普里（A.Dapre）研究了润湿和黏附 现象，将黏附功与表面
张力联系起来。
★ 1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力随
温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率的变化的方程 即著名的开尔文方程。
13
1.3 发展历史
★1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度为 零的吉布斯界面模型，他首先应用数学推理的方法指出了在界面区上 的物质浓度一般地不同于各本体相中的浓度，从而使这一新型学科一 开始就建立在稳固的理论基础上。他还导出了联系吸附量和表面张力 随体相浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。
15
1.3 发展历史
由于电子工业及航天技术的发展，要求部件的尺寸尽量缩小， 这样便增大了表面积与体积之比。事实上，半导体技术及航空 工业的发展一定程度上被材料的表面特性所控制，因此迫切需 要将微观测试手段应用于表面研究上。
新的表面测试技术，如低能电子衍射、俄歇电子能谱、光电子 能谱等不断出现，满足在很小的表面积上进行测试便能得到可 鉴别的讯号，一般1cm2 就足够了； 超高真空设备不断完善，目前真空度可达10-8 ，可制备足够清洁 的表面及复制表面。
体积变化
相态变化
原子、分子间的分离与组合
物理学 光 磁
21
1.5 物理化学的回顾
物理现象
化学现象
物理化学
用物理的理论和实验方法 研究化学变化的本质与规律
22
1.5 物理化学的回顾
物理化学主要研究
（1）化学变化的方向和限度问题
各种因素如温度、压力和浓度等对化学变化
的影响等。这类问题属于化学热力学的范畴。 （2）化学反应的速率和机理问题 外界条件如温度、压力、浓度和催化剂等对 反应速率的影响。这属于化学动力学的范畴。
表面物理化学
主讲：王中平
Email: wangzpk@
1
参考教材
滕新荣主编，表面物理化学，化学工业出版社，2009.9第1版
颜肖慈 罗明道编著，界面化学，化学工业出版社，2005年
周祖康 顾惕人等编著，胶体化学基础， SS号=10310543 ，1987年5月第1版
谈慕华、黄蕴元编著，表面物理化学，建筑工业出版社，85年
关表面的组成、结构和吸附态对表面反应的影响及表 面机理的研究，从而寻找有实用价值的高效催化剂。 2007年，德国科学家Gerhard Ertl因“固-气界面基本 分子的过程的研究”获得诺贝尔化学奖。
17
1.4 表面物化的应用
表面现象有着广泛的应用。主要有：
1、吸附 如用活性炭脱除有机物；用硅胶或活性氧化铝脱除水蒸汽；用 分子筛分离氮气和氧气；泡沫浮选等。
Am A / m
或
AV A / V
式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。目 前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大 小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。
10
表面表征指标之一：比表面与分散度
例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方 体时，比表面增长情况列于下表：
到在表面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局部自由能密度的 概念，结合范德华方程，并引入半经验修正，从理论上研究了决定于 分子间力的状态方程参数与表面张力间的关系，范德华的研究可以看 作是用统计力学研究界面现象的前奏。
14
1.3 发展历史
★上世纪的五十年代开始，由于各种光谱技术和微观测试技术 的不断出现，使从基本的分子结构来探讨化学过程的机理成为 可能。 表面现象的研究则要求在一个厚度仅几个分子层的准三维区域 内进行，被扫描的横截面积太小，不一定能满足这些测试技术 的要求。当采用红外光谱、核磁共振、x 衍射等进行表面现象研 究时（如表面吸附等），为获得足够数量的可靠讯号，要求对 较大表面积进行测试，一般约在1～102m2。 为了比较各种不同测试技术所得的结果，常常还需要将样品从 一个设备送到另一个设备，因此不可忽视样品的表面清洁度及 复制性，即要求有高真空技术。
6
1.2 表面和界面(surface and interface)
在一个非均匀的体系中,至少存在着两个性质不同的相。两相共存必然有 界面。可见，界面是体系不均匀性的结果。 界面是相与相之间的交界所形 成的物理区域 ●界面相是一个准三维区域， 其广度无限，而厚度约为几 个分子的线度 ●体系性质在体相为常数，表 面相是体系性质连续变化的一 个过渡区域 表面：一般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。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。 （S－g、L－g界面）
18
1.4 表面物化的应用
★在材料科学中，材料的腐蚀、断裂、磨损、润滑都与表面有关。
★在超细粉末和纳米材料的制备和粉末团聚的研究方面，材料的表面改型 方面，界面现象都有重要的应用。 ★新型材料如水溶性涂料、内墙涂料的研制，离不开材料表面物理化学性 质的研究。 ★微电子学中如半导体工艺控制、微电子器件，原件的表面清洁处理等。 ★在能源科学、化肥、环保方面，催化技术及吸附过程都是表面科学研究 的范畴， （三次采油、煤的液化、化学电源）。 ★生命科学（生物膜及膜模拟化学） 表面化学所研究的是包括从宏观到微观的相界面。无论是在科学研究中或 是在工业应用上，界面现象均有着极其广泛的应用。
7
1.2表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：气-液表面，气-固表面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。
1.气-液表面
2.气-固表面
3.液-液界面
4.固-固界面
8
1.2 表面和界面(surface and interface)
目前，常用于处理界面的模型有两种： 一为古根海姆（Guggenheim）模型。其处理界面的出发点是： 界面是一个有一定厚度的过渡区，它在体系中自成一相—
1.5 物理化学的回顾
热力学的基本内容 •热力学共有四个基本定律：第零、第一、第二、 第三定律，都是人类经验的总结。第一、第二定 律是热力学的主要基础。
界面相。界面相是一个既占有体积又有物质的不均匀区域。
该模型能较客观地反映实际情况但数学处理较复杂。
另一个模型是吉布斯（Gibbs）的相界面模型。该模型认为
界面是几何面而非物理面，它没有厚度，不占有体积，对
纯组分也没有物质存在。该模型可使界面热力学的处理简
单化。
9
表面表征指标之一： 比表面与分散度
比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用 的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积； 另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：
[美]A.W.亚当森，表面的物理化学，SS号=10249101，1984年6月第1版
胡福增主编，材料的表面与界面， 华东理工大学出版社 ，2008年1月第1版
2
表面现象
水滴为什么是圆 形而不是方形
3
表面现象
它们为什么可以 漂在水面上
4
表面现象
ps
水在毛细管中为 什么会上升
水
5
第一章
1．1 表面物理化学的研究对象
19
1.5 物理化学的回顾
物理化学——研究所有物质系统的化学行为的原 理、规律和方法的学科。 涵盖从宏观到微观与性质的关系、规律、化 学过程机理及其控制的研究。 物理化学是化学以及在分子层次上研究物质
变化的其他学科领域的理论基础。
20
1.5 物理化学的回顾
温度变化
压力变化
热
化学反应
电 化学
密 不 可 分
因此被科学家们得心应手地应用于表面科学的领域内。表面科 学进入从微观水平上研究表面现象的阶段，成为了一门独立的 学科。 16
1.3 发展历史
★目前，科学家已经能够在低于微米级的表面上，获
得小于1%原子单层（103原子/cm2）的原子信息，于是
可在优于10-7帕的超高真空下，从分子水平上研究表面
现象。不少科学家致力于催化剂和多相催化过程、有
例题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？ 2/3 1 2 4 2 解：对大水滴 AS 4 r 2 4 cm 4.84 10 cm 4 / 3 对小水滴