第4章+界面现象-2017

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表面张力（Surface Tension）
设有细钢丝制成的框架。其一边是可以自由 活动的。将此框架从肥皂水中拉出，即可在框架 中形成一层肥皂水膜。
此肥皂水膜会自动收缩， 以减小膜的面积。这种引起 A 膜自动收缩的力就叫做表面 张力，以 γ 表示。
l
B
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γ l
A
B
若将液体的表面视为厚度为零的弹性膜，
由于液体分子间距小，分子间相互作用力较大， 当液体与气体、固体接触时，交界处由于分子力 作用而产生一系列特殊现象，即：液体表面现象。
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将水滴在荷叶上，水滴自动形成球 形，很容易滚落；

在水面上用简单的方法可以使金属 针或分值硬币漂浮，但不能使它们悬 浮于水中；

插入水中的毛笔笔毛是分散开的， 当笔头提出水面后笔毛并拢……
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常见的界面
(1) 气-液界面
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(2)气-固界面
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(3) 液-液界面
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(4) 固-固界面
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4.2 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： • 一种是单位质量的物质所具有的表面积；
• 另一种是单位体积物质所具有的表面积。
第四章 气－液与液－液界面
4.1 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。
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严格讲表面应是液体或固体与其饱和蒸气 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。

尽管表面积随着粗糙度增大而增大，但其中 有相当多的孔穴，粘稠的液体是无法流入的。无 法流入液体的孔不仅造成界面脱粘的缺陷，而且
也形成了应力集中点。
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（6）变形层理论
该理论认为，压件表面有一层偶联剂涂层是柔性层，提供 具有“自愈能力”的化学键，在外载作用下，处于不断形 成于断裂的动态平衡。
（7）优先吸附理论
界面的比表面积或界面相的体积分数很大（尤其是纳米
复合材料）界面效应显著：复合材料复合效应产生的根源
界面缺陷形式多样（包括残余应力），对复合材料性能
影响十分敏感
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复合材料的综合性能并不是由各单一组分性能
的简单加合，而是一种线性关系；
各组分既独立又相互依存，这种是由复合材料
的界面决定的。
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界面效应
和，即物理和化学吸附作用。
高聚物的粘结作用分两个阶段： 第一阶段：高聚物大分子借助于宏观布朗运动从液体或熔 体中，移动到纤维表面，大分子链节逐渐向纤维表面极性 基团靠近； 第二阶段：发生吸附作用。当纤维与聚合物分子间距 <0.5nm，形成各种分子间作用力（吸附产生的根本原因）。
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润湿吸附理论的局限性：
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在复合材料的指制备中，一般都有一个要求，即 要求组分间能牢固地结合，并且有足够的强度。 要实现这一点，必须要使材料在界面上形成能量 的最低结合，存在液体对固体的良好浸润。 浸润： 是把液滴放到固体表面，液滴会立即铺展开来，遮盖 固体表面，这一现象称为浸润。
Water droplet on a lotus leaf
纤维及树脂间的化学变化，引起界面粘结破坏。 （1）水的浸入 水分子体积小，极性大，易浸入界面； 水 吸 附 特 点
玻璃纤维吸附水能力很强，且吸附可通过水膜进行传递， 形成多层吸附，即较厚的水膜；

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4.4 弯曲表面下的附加压力
自然界中有许多情况下液面是弯曲的，弯曲液 面内外存在一压强差，称为附加压强, 用Ps 表示。 附加压强是由于表面张力存在而产生的。 附加压强的产生 1.平液面
f f
P0 0
△ S
在液体表面上取一小面积 △ S, 由于液面水平，表面 张力沿水平方向， △ S 平 衡时，其边界表面张力相 互抵消, △S 内外压强相等：
将金属做成超细微粒以降低熔点；
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例题
例 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？
解：对大水滴
1 2 4 AS 4 r 4 cm 4.84 10 cm 4/3
2 2/3 2
对小水滴 6 6 10 3 10 1 2 3 2 As 4 r 3.0 10 m 1 3 4 / 3 r1 r1

这些现象说明：液体表面与体相液 体的性质不完全相同。这些特点可 以从力学和能量的角度予以解释。
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表面层分子与内部分子相比，它们所处 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消 (各向同性)；故在液体的内部，分子的移动 无需作功。
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但是处在界面层的分子，一方面受到体相内 相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的 另一相中物质分子的作用，其所受作用力不能相 互抵消。因此，界面层分子由于其处在一不均匀 对称的力场会显示出一些独特的性质。 对于单组分体系，这种特性主要来自于同一 物质在不同相中的密度不同；对于多组分体系， 特性则来自于界面层的组成与任一相的组成均不 相同。 15
P 4r 2 dr 8r dr 由此可得 2 P r

厦门大学物理化学习题及答案第章界面现象1、表面性质与什么有关？服用同样质量同样成份的药丸和药粉，哪一种的药效快？为什么？答案：（药粉的比表面大，药效快。

）2、试计算在20℃时将1cm3水分散成半径为1某10-5cm的小水滴所需要的功。

答案：(2.16J)3、将一个系有细线圈的金属环，在肥皂液中浸一下然后取出，这时金属环被一层液膜所覆盖，而细线圈也保持着最初不规则的形状（见图），现若将线圈内的液膜刺破，问线圈将变成什么形状？为什么？答案：（变成一圆圈，因为表面张力的作用。

）4、有人从"表面扩展过程是一熵增过程"出发，得到"表面扩展是一自发过程"这一结论。

试指出此结论的错误所在。

答案：（体系熵增加并不等于总熵增加。

）5、设纯水的表面张力与温度的关系符合下面的关系式假定表面积改变不会引起总体积变化。

试求(1)在283K及压力下可逆地使水的表面积增加1cm2时，必须对体系做功多少？(2)计算该过程中体系的ΔU、ΔH、ΔS、ΔF、ΔG及所吸收的热。

(3)除去外力，使体系不可逆地自动收缩到原来的表面积；并设不做收缩功。

试计算该过程的ΔU、ΔH、ΔS、ΔF、ΔG及热。

答案：〔(1)W＝-7.424某10-6J(2)ΔU＝ΔH＝7.564某10-6J、ΔF＝ΔG＝7.424某10-6J、ΔS＝4.95某10-10J·K-1、Q＝1.4某10-7J(3)ΔU＝ΔH＝-7.564某10-6J、ΔF＝ΔG＝-7.424某10-6J、ΔS＝-4.95某10-10J·K-1、Q＝ΔU〕4、如图所示两根毛细管中分别装有两种不同的液体，若在毛细管右端加热，问液体将如何移动。

答案：(上管向左，下管向右)5、在下列体系中将活塞两边连通时将出现什么情况？为什么？若连通大气又如何？答案：（小泡变小，大泡变大，若连通大气，则两气泡均变小，直至曲率半径变成无限大。

）6、在一管径不均匀的毛细管中有一些可润湿管壁的液体存在（见图）。