第3章 表面与界面现象及应用基本原理

G
γLG
θ
L
S
γSL
γSG
15
G
γLG
θ
L
S
γSL
γSG
如果把固、液和气三相交界处，接触角与固－液、固－气 和液－气界面张力的关系可表示为: (力学平衡)
γSG－γSL＝γLGcosθ
这个公式是T.Young提出的润湿方程，也叫做杨氏方程。
杨氏方程是润湿的基本公式，亦称为润湿方程，可以看 作是三相交界处三个界面张力平衡的结果。
当 q 90o 时，Wi 0
SL/G SG LG SL LG (cosq 1)
当 q 0o 或不存在时，S 0
原则上说，测定了液体表面张力和接触角即可得到粘附 功、浸润功和铺展系数的数值，从而解决了应用各种润
湿判据的困难。
例如: 为什么光滑玻璃或棉布上受到油垢玷污时
不易被水润湿？
原则上说，测定了液体表面张力和接触角即可得到粘附 功、浸润功和铺展系数的数值，从而解决了应用各种润
湿判据的困难。
从上面三个式子不难看出接触角的大小是很好的润湿标 准。接触角越小润湿性越佳。
19
γSG－γSL＝γLGcosθ
当润湿角θ＞90°时，为不润湿， 当润湿角θ＜90°时，为润湿，
12
例如： 如何让水在石蜡表面上展开呢？
γSG－γSL －γLG ≥0
在水中加入表面活性剂， 则可以降低LG和SL， 因此有望使水在石蜡表 面展开。
13
3.1.2 接触角和杨氏方程
将液体滴于固体表面，液体有可能铺展， 也可能形成液滴停留在固体表面。
14
在固、液和气三相交界处，自固－液界面经过液体 内部到气－液界面的夹角叫做接触角，以θ表示。
第3章 表面与界面现象及应用基本原理
3.1 润湿现象 3.2 固体表面的吸附现象 3.3 界面光电现象
1
3.1 润湿现象
2
落汤鸡
落汤鸭？？
3
• 宏观上，润湿是指一种流体被另一种流体从固体 表面或固－液界面所取代的过程；微观上，润湿 固体的流体，在置换原来在固体表面上的流体后， 本身与固体表面是在分子水平上的接触，它们之 间无被置换相的分子。
11
几点说明：
上述的热力学条件是指在无外力作用下液体自动润湿固体 表面的条件。 上述的热力学条件只能从理论上判断一个润湿过程是否能 够自发进行。 实际上，固体的表面自由能和固液界面自由能目前尚无合 适的测定方法，因而定量地运用上述判断条件是有困难的。 上述判断条件可为我们解决润湿问题提供正确的思路。
式中，γSG、γSL和γLG分别为气－固、气－液和液－固界面 的界面张力。
SL越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。 事实上，固-液界面张力总是小于它们各自的表面张力之 和，这说明固-液接触时，粘附功Wa总是大于零。因此，不 管对什么液体和固体沾湿过程总是可自发进行的。
7
固体 液体
（2）浸湿
浸湿主要指是指固体浸入液体的过程，例如 洗衣时将衣物泡在水中、织物染色前预先用 水浸泡等过程。
若SL/G ≥ 0，则 Gs ≤ 0， 铺展润湿过程可自发发生，液体可在固体表面自动展开。
即铺展现象发生的热力学条件为：
γSG－γSL －γLG ≥0
另外，
SL/G SG LG SL 2 LG Wa Wc
Wa为液体对固体的粘附功，Wc为液体的内聚功(自粘功)。
只要液体对固体的粘附功大于液体的内聚功，液体即可在固 体表面自发展开。
≈ γSGdA－γSLdA－γLGcosθdA
平衡条件下, G = 0,因此:
γSபைடு நூலகம்－γSL＝γLGcosθ
17
杨氏方程拓展：
结合前面的定义，则有:
黏附功
Wa SG SL LG LG (cosq 1)
浸润功 铺展系数
当 q 180o 时，Wa 0
Wi SG SL LG cosq
5
（1）沾湿 沾湿主要指液－气界面和固－气界面上
的气体被液体取代的过程，如喷洒农药 时农药附着于植物的枝叶上。 沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附。 粘附功：
Wa Gs ( SL SG LG ) 沾 湿
固体 液体
6
若Wa ≥ 0，则 Gs ≤ 0， 此时沾湿过程可自发发生。
即沾湿现象发生的热力学条件为： γSG－γSL＋ γLG≥0
9
（3）铺展
液体取代固体表面上的气体，将固－气界
面用固－液界面代替的同时，液体表面能 够扩展的现象即为铺展。例如农药在植物 枝叶上铺展，以覆盖最大的表面积。
铺展润湿过程中，失去了固-气界面，形成 了固-液界面和液-气界面。
液体 固体
10
铺展系数： SL/G Gs ( SL LG SG)
浸湿时固体表面的气体完全被液体所置换。 浸 湿
浸润功：
Wi Gs ( SL SG)
8
若Wi ≥ 0，则 Gs ≤ 0， 浸湿过程可自发发生。
即浸湿现象发生的热力学条件为：
γSG－γSL≥0
式中，γSG和γSL分别为气－固和气－液界面的界面张力。
浸湿过程与沾湿过程不同，不是所有液体和固体均 可自发发生浸湿，而只有固体的表面自由能比固液界面自由能大时，浸湿过程才能自发进行。
18
杨氏方程拓展：
结合前面的定义，则有:
黏附功
Wa SG SL LG LG (cosq 1)
浸润功 铺展系数
当 q 180o 时，Wa 0
Wi SG SL LG cosq
当 q 90o 时，Wi 0
SL/G SG LG SL LG (cosq 1)
当 q 0o 或不存在时，S 0
• 润湿现象就是指液体在固体表面上的粘附现象。
• 润湿过程往往涉及三相，其中至少两相为流体。
• 润湿是广泛存在于自然界的一种现象，最为普遍 的润湿过程是固体表面的气体被液体取代，或是 固－液界面上的一种液体被另一种液体所取代。
4
3.1.1 润湿现象的类型
• 润湿现象主要分为三类，沾湿、浸湿和铺 展，产生不同的润湿过程条件不同。
杨氏方程的应用条件是理想表面，即指固体表面是组成均
匀、平滑、不变形(在液体表面张力的垂直分量的作用下)
和各向同性的。
16
热力学推导杨氏方程：
设停于固体表面上的液滴在平衡条件下扩大固液界面面 积dA，相应的气液界面面积的增值为dAcos(qdq)，体 系自由能变化为:
G = γSGdA－γSLdA－γLGdAcos(θ-dθ)