表面张力与表面能共23页

H s A
S s , p,nis


As A
T ,V snis


G s A
T , p,nis
表面自由能模型
可见，γ是表征表面性质的物理量。 表面自由能模型
1、若在等温、等压、恒组成条件下对 As ,Gs 的 微分式进行积分，可得
如果刺破线圈中央的液膜，线 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 (b) 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
表面张力（surface tension）
（a）
（b）
界面张力与温度的关系
温度升高，界面张力下降，当达到临界温度Tc时， 界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：
因为
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。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面， 液-固界面，固-固界面。
1.1表面和界面(surface and interface)
几点说明：
1、严格讲，界面是“界”而不是“面”。因客观存在的界面 是物理面而非几何面，是一个准三维的区域。
表面和界面(surface and interface)
常见的界面有： 1.气-液界面
表面和界面(surface and interface)
2.气-固界面
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
表面和界面(surface and interface)
4.液-固界面
这时
F 2 l
l是滑动边的长度，因膜有两个

其过程是如果在一封闭容器中有曲率大小不同的液面与它们的蒸气相共存由于在相同温度下不同液面的平衡蒸气压力不同体系中自发进行液体分子从大块液相通过气相转移到曲64开尔文公式的应用65六表面张力的测定方法1毛细管上升法如图将一洁净的半径为r的均匀毛细管插入能润湿该毛细管的液体中则由于表面张力所引起的附加压力将使液柱上升达平衡时附加压力与液柱所形成的压力大小相等方向相反
（1）分子间相互作用力的影响 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成 的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。
(金属键)>
3.1 表面吉布斯自由能和表面张力
表面和界面
界面现象的本质
比表面 分散度与比表面 表面功 表面自由能 表面张力 界面张力与温度的关系 影响表面张力的因素
一、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。 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。 常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液界面， 液-固界面，固-固界面。
G
,
n
,
i
表面自由能模型
可见，表面自由能是单位表面上的自由能相对于本 体相自由能的过剩量。这也是为什么称γ为比表 面过剩自由能的原因。 2、若采用吉布斯界面模型，且体系为纯液体。则 s s 有 G A V s 0, n s 0 =
A A
可见，对纯液体， γ是单位面积等效表面所具有的 自由能。
表面张力（surface tension）

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
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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。

表面张力和表面能的应用
表面张力在生活中的应用
01
02
03
露珠呈球形
由于表面张力，水滴在荷 叶或树叶上呈球形，不易 散开。
气泡形成
在洗衣服、洗碗时，表面 张力使气泡在水中形成并 保持。
防水表面
表面张力可以用于创造防 水表面，如荷叶的自洁效 应。
表面能在工业中的应用
涂层附着
表面能的大小影响涂层与 基材的附着力，选择合适 的涂层材料和工艺可以提 高附着力。
表面能与物质性质的关系
物质性质对表面能的影响
物质的化学性质、晶体结构、分子间作用力等都会影响其表 面能。例如，极性分子具有较大的表面能，因为它们具有更 强的分子间相互作用力。
表面能的应用
在化学、物理、工程等领域中，表面能具有广泛的应用，如 润湿现象、自组装单层膜、晶体生长等都与表面能密切相关 。
04
力等因素有关。
表面能
表面能是固体表面的能量，它是 由于固体表面原子或分子的排列 不规整而引起的。表面能的大小 与表面的粗糙度、化学组成、温
度等因素有关。
实验方法
通过测量液体在固体表面上展开 的角度或测量液体在固体表面上 的接触角，可以计算出表面张力
和表面能。
实验步骤
准备实验器材
测量液体在固体表面上的接触角
表面张力计、表面能计、待测液体和固体 样品等。
将待测液体滴在固体表面上，观察液滴的 形状，并测量接触角。
计算表面张力和表面能
分析实验结果
根据接触角的大小，利用相关公式计算出 表面张力和表面能。
分析实验结果，了解表面张力和表面能与 物质性质的关系，并得出结论。
06
相关理论介绍
杨氏方程
总结词
杨氏方程是描述表面张力和表面分子 间的相互吸引程度。

Figure 2.1 Schematic representation of a liquid molecule in the bulk liquid and at the surface. A downward attraction force is operative on the surface molecule due to the lack of liquid molecules above it.
表面张力(Surface Tension)
Surface tension
l
F ST2l
ST : F
2l
Surface tension of water drop
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。
解：对大水滴 A S4r24 4/1 3 2 /3c m 24 .8 4 1 0 4c m 2
对小水滴
As1
106
4/3r13
4r12
3106
r1
3.0103m2
As1 3.0 107m2 6.2106 As 4.84
弯曲液面下的附加压力 Curved liquid surfaces with additional pressure
作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 表 示，单位是N·m-1。
注意：
肥皂膜Biblioteka F1. 表面张力是作用在单位长度线段 上的力，量纲为Ｎ m-1。
2. 表面张力 也常被称为表面张力
系数。
2.1.3 surface free energy
dW •2 bd x •dA
表面自由能(Surface Free Energy)

表面自由能(surface free energy)
广义的表面自由能定义：
保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积 时，相应热力学函数的增值。
狭义的表面自由能定义：
(G) A
p,T,nB
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面 积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由
能，或简称表面自由能或表面能，用符号 或
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。如铂黑电极及多孔电极由于 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。
体，k =2.2×10-7 J·K-1 。
影响表面张力的因素
（1）分子间相互作用力的影响 对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成
的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。
(金属键)> (离子键)> (极性共价键)> (非极性共价键)
两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。
（2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。
（3）压力的影响 表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增
加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。 另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表 面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。
压力的影响
压力与表面张力关系的实验研究不易进行，一般说来，压 力对表面张力的影响可以从下面三个方面考虑
称为表面张力，用 表示，单位是
N·m-1。
将一含有一个活动边框的金属 线框架放在肥皂液中，然后取出悬 挂，活动边在下面。由于金属框上 的肥皂膜的表面张力作用，可滑动 的边会被向上拉，直至顶部。

• 2 × 0.01 m × 0.072 Jm−2 = 1.44 × 10−3N
That corresponds to a weight of 0.15 g.
How can we interpret the concept of surface tension on the molecular level?
For molecules it is energetically favorable to be surrounded by other molecules. Molecules attract each other by different interactions such as van der Waals forces or hydrogen bonds.
乙醚
甲醇 乙醇 硝基苯 苯 苯 甲苯 四氯化 碳
25
20 20 20 20 30 20 220.1422.50 22.39 43.35 28.22 27.56 28.52 26.76
一些油水界面张力（20℃）
界面 界面张力(mN/m) 界面 界面张力(mN/m)
苯－水
35.0
正辛醇－水
8.5
四氯化碳－水
一些液体的表面张力
液体 全氟戊 烷 温度／ ℃ 20 表面张力 (mN/m) 9.89 液体 三氟甲 烷 温度 /℃ 25 表面张力 (mN/m) 26.67
全氟庚 烷
全氟环 己烷 正己烷 正庚烷 正辛烷 水 水 水
20
20 20 20 20 20 25 30
13.19
15.70 18.43 20.30 21.8 72.8 72.0 71.2
AS 4 r 2 4 4 / 3 cm2 4.84 104 cm2

表面张力（surface tension）

表面张力（surface tension）
如果在金属线框中间系一线圈， 一起浸入肥皂液中，然后取出，上 (a) 面形成一液膜。 由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成 任意形状可在液膜上移动，见(a)图。 如果刺破线圈中央的液膜，线 圈内侧张力消失，外侧表面张力立 即将线圈绷成一个圆形，见(b)图， 清楚的显示出表面张力的存在。
B B B B
由此可得：
F G H U ( ) S ,V ,nB ( ) S , P ,n ( )T ,V ,nB ( )T , P ,nB A A A A
B
表面自由能(surface free energy)
广义的表面自由能定义： 保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积 时，相应热力学函数的增值。
表面和界面(surface and interface)
5.固-固界面
二、比表面（specific surface area）
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：
Am A / m
或
AV A / V
表面张力（surface tension）
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（F=（W1+W2）g）与总的 表面张力大小相等方向相反，则金 属丝不再滑动。 这时
F 2 l
l是滑动边的长度，因膜有两个 面，所以边界总长度为2l， 就是作 用于单位边界上的表面张力。
表面和界面(surface and interface)
常见的界面有： 1.气-液界面

表面活化剂：对于物质表面张力能产生 强烈影响的其他组分。
• 在熔融的铁液中，只要含有万分之五的氧 和硫，就可以使铁液的表面张力由1.835 下降为1.2。
• 对于许多固体金属、氮化物和碳化物的表 面，氧能产生类似的影响。在这些材料的 表面一旦形成氧的吸附层，就较难将其除 去。
表面活化剂的一些应用
grh 2cos
式中ρ为液体密度；g为重力加速度；r为毛细管半径； θ为接触角。
杂质对物质的表面能产生的影响
• 如果某物质中含有少量表面张力较小的其 他组分，则这些组分便会在表面层中富集， 即使它们的含量很少，也可以使该物质的 表面张力大大减小。
• 如果某物质中含有少量表面张力较大的其 他组分，则这些组分便倾向于再该物质的 体积内部富集，即这些组分在体内的浓度 高于在表面层的浓度，对该物质的表面张 力只有微弱的影
• 根据定义，表面能是增 加单位面积的表面所需
要做的功，单位是 J •m2
（焦耳·米 2 ）
• 表面张力：液体表面层 由于分子引力不均衡而 产生的沿表面作用于任 一界线上的张力，单位
m 是N· 1
• 最常用的测量液体表面能的方法： 将一根毛细管插入液体中，测定液体在毛细管中 上升的高度h，就可以求出液体的表面张力γ：

界面现象的本质
表面功（surface work）
由于表面层分子的受力情况与本体中不同，因此 如果要把分子从内部移到界面，或可逆的增加表面积， 就必须克服体系内部分子之间的作用力，对体系做功。
温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA 所需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：
W dA
G
,
n
,
i
表面自由能模型
可见，表面自由能是单位表面上的自由能相对于本 体相自由能的过剩量。这也是为什么称γ为比表 面过剩自由能的原因。 2、若采用吉布斯界面模型，且体系为纯液体。则 s s 有 G A V s 0, n s 0 =
A A
可见，对纯液体， γ是单位面积等效表面所具有的 自由能。
表面熵和表面总能
表面熵 是指在等温等压下，一定量的液体增加单 位表面积时熵的增量。s S
S A T T , p ,ni A, p ,ni
上式表明，可利用实验可测的量来得到难以从实 验上测定的表面熵值。 已知一般液体的表面张力温度系数为负值，因此 表面熵在一般情况下应为正值。这可看成将分子 从液体内部迁移到表面，由于分子间力减少，分 子排列从有序到无序必引起熵增。换言之，表面 熵为正值可理解为是表面层疏松化的结果。
分散度与比表面
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分 割成10-9m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
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。如铂黑电极及多孔电极由于 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。