表面现象表面张力表面自由能.ppt

表面自由能(Surface Free Energy)
2. 麦克斯韦关系式 麦克斯韦关系式对于表面化学基本关系式同样成立
S A T , p,n
T
A, p,n
反映体系熵变随表面 积变化关系
V A
T , p,n
p
A,T ,n
反映体系表面张力随 压强变化关系
表面张力(Surface Tension)
表面化学基本热力学关系式：
dU TdS PdV dA BdnB B
dH TdS VdP dA BdnB B
dF SdT PdV dA BdnB B
dG SdT VdP dA BdnB B
表面自由能(Surface Free Energy)
由热力学基本关系式可知表面自由能的：
作用于单位边界线上的这种力称为表面张力 ，用g 表示，单位是N·m-1。
肥皂膜
F
注意：
1. 表面张力是作用在单位长度线段 上的力，量纲为Ｎ m-1
2. 注意区分表面张力产生原因与表 面张力的表现
表面张力(Surface Tension)
请同学们用表面张力的知识思考图中的现象
表面自由能与表面张力
对于表面相，我们从“能”和“力”的角度引出了两个
表面化学与其他学科的联系
生命科学（生物膜及膜模拟化学）
表 面
能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）
化 学
材料科学（超细材料、材料的表面改型）
信息科学（LB膜，微电子器件）
界面化学的发展和现状
1805 1806 1878 1916
T . Young P.S. Laplase Gibbs Langmuir
关于基本关系式的讨论
1. 由基本关系式可知，在恒温恒压下，体系表面积 增加，则体系吉布斯自由能增加，因而该过程不 能自发进行。我们可以利用这一结论进行过程方 向性判断。
例如：胶体体系中存在大量直径100nm以下的固体小颗粒， 整个体系固液界面具有很大的表面积，当固体颗粒聚集在 一起时发生聚沉现象，从表面化学的观点看，此时表面积 减小，自由能下降，说明聚沉过程自发进行，胶体体系从 热力学角度看是不稳定的。
按物质聚集状态，界面可分为五类： 固－气（S-g）、固－液 （S-l）、固－固（S-S）、液－气（l-g）、液－液（l-l）
表面（Surface）
表面：凝聚态物质相对于其纯气相的界面。 S－g、L－g界面算作表面
许多文献中也常常将两个不同体相间的 界面称为表面，表面化学这一术语也被大家 广泛接受了
1. 狭义定义：保持体系温度、压力、组成不变时，增加单 位表面积，体系吉布斯自由能的变化
(
G A
)
p,T
,nB
2. 广义定义：保持体系相应变量不变时，增加单位表面 积，体系热力学函数的变化
(
U A
)
S
,V
,nB
(
H A
)
S
,P,nB
(
F A
)T
,V
,nB
(
G A
)T
,P,nB
表面自由能(Surface Free Energy)
Wreversible dA
由吉布斯自由能性质可知，在恒温恒压下，此表面功即 等于体系吉布斯自由能的变化量的相反数：
dG T , p,n Wreversible dA
此式表明，考虑表面相贡献的多相体系，除了温度、压力、组 成等因素，表面积也是影响体系热力学函数的一个重要变量。
表面自由能(Surface Free Energy)
表面现象
水滴为什么是圆 形而不是方形
表面现象
它们为什么可以 漂在水面上
ps
水
水在毛细管wk.baidu.com为 什么会上升
界面（Interface）
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
(3) 与温度有关
对绝大多数液体 T↑,γ↓ 对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体，T↑γ↑。
表面现象的微观成因
表面现象的微观成因
气相 液相
表面相分子受力不均 匀，其分子有被拉入 液相的趋势。 这种受力不均匀性是 表面现象产生的微观 成因。
液体的表面积因而有 自发收缩的趋势。
这解释了为什么液滴会以 球形的形态存在
表面自由能(Surface Free Energy)
使液体表面积增大的过程是克服液相分子吸引力, 使体相 分子转移到表面相的过程，需要环境对体系做功。以可逆方 式做功最少，称之为表面功：
从表面现象的微观成因，我 们还可以得出一个结论：表 面相分子密度较液相分子低， 因而表面相分子间存在较大 吸引力。
从宏观层面来看，液体表 面仿佛存在一层紧绷的液 膜，在膜内处处存在的使 膜紧绷的力即为表面张力
表面张力的存在解释了针为什么 可以漂在水面上
表面张力(Surface Tension)
在两相界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表 面的单位线段上，指向使表面紧缩的方向并与表面 相切。
2. 用表面张力计算
肥皂膜
F
W Fdx 2 表面张力 l dx
显然： 自由能 表面张力
4. 影响纯物质的γ的因素
(1) 物质本身的性质（极性液体比非极性液体大， 固体比液体大）
(2) 与另一相物质有关
水 ----正庚烷 苯 汞
γ/(N m-1) 0.0502 0.0350 0.415
纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的 空气之间的界面张力。
提出界面张力概念 表面张力与曲率半径关系 表面吸附方程 固体吸附等温方程式
表面与界面化学虽是物理化学的传 统研究领域，但由于电子能谱、扫描隧 道显微镜等新的实验技术的出现，使得 表面、界面效应及粒子尺寸效应的知识 呈指数上升式的积累，提出了在分子水 平上进行基础研究的要求。当前涉及这 一领域的研究已成为催化、电化学、胶 体化学的前沿课题，并与生命科学、材 料科学、环境科学、膜技术及医药学密 切相关，是这些相关学科要研究和解决 的核心课题之一。
不同的概念：表面自由能与表面张力。事实上这两个概念有 着密切的联系
一、两者量纲相同
J Nm N
m2 m2 m
表面自由能的量纲
表面张力量纲
表面自由能与表面张力
二、两者数值相同
肥皂膜保持张力平衡： F 2 l （肥皂膜有两个表面）
肥皂膜
F
1. 用表面自由能计算：
dx
肥皂膜
lF
W= 自由能 A = 自由能·2l·dx