1、界面現(xiàn)象界面現(xiàn)象( (表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象,surface ,surface phenomena)phenomena)討論的是在界面上發(fā)生的討論的是在界面上發(fā)生的一些行為一些行為.surface phenomena .surface phenomena physics physics 在在biology; material; biology; material; chemical engineering; chemical engineering; pharmacology etc. pharmacology etc. 有著廣泛的應用有著廣泛的應用. .本章主要討論相的表面分子和體相分子的差異，以

2、及在本章主要討論相的表面分子和體相分子的差異，以及在L-S;L-G;S-G;SL-S;L-G;S-G;S1 1-S-S2 2;L;L1 1-L-L2 2等等界面上的一些現(xiàn)象。界面上的一些現(xiàn)象。第1頁/共92頁2021-11-15第2頁/共92頁 界面是指兩相接觸的約幾個分子厚度的過渡區(qū)，若其中一相為氣體，這種界面通常稱為表面。 常見的界面有：氣-液界面，氣-固界面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。 嚴格講表面應是液體和固體與其飽和蒸氣之間的界面，但習慣上把液體或固體與空氣的界面稱為液體或固體的表面。第3頁/共92頁常見的界面：1.氣-液界面第4頁/共92頁2.氣-固界面第5頁/共92頁3.

3、液-液界面第6頁/共92頁4.液-固界面第7頁/共92頁5.固-固界面第8頁/共92頁第一節(jié)表面吉布斯能 一個相的表面分子和其內部分子的能量是不同的，如圖所示是液體和氣一個相的表面分子和其內部分子的能量是不同的，如圖所示是液體和氣體呈平衡時表面分子和其內部分子的受力情況示意圖：體呈平衡時表面分子和其內部分子的受力情況示意圖：第9頁/共92頁界面現(xiàn)象的本質第10頁/共92頁式中為比例系數，它在數值上等于當T，P及組成恒定的條件下，增加單位表面積時所必須對體系做的可逆非膨脹功。 由于表面層分子的受力情況與本體中不同，因此如果要把分子從內部移到界面，或可逆的增加表面積，就必須克服體系內部分子之間的作

4、用力，對體系做功。 溫度、壓力和組成恒定時，可逆使表面積增加dA所需要對體系作的功，稱為表面功。用公式表示為：AWd二、表面吉布斯能和表面張力（一）表面吉布斯能第11頁/共92頁在T；p一定時，擴展dA表面所做的功為 W 球內液體的壓力為p W 和dA 成正比，如右圖。比例系數為 W = - dA W= - dGT,pdGT,p= dAp第12頁/共92頁 的單位為 Jm-2，稱為比表面吉布斯能J= N m 的單位又可為 N mm-2 = N m-1N m-1是力的單位 B,npTAG第13頁/共92頁 的物理意義的物理意義 定溫定壓條件下，增加單位表面積引起的系統(tǒng)吉布斯能的增量。 單位表面積

5、上的分子比相同數量的體相分子“超額”的吉布斯能。 比表面吉布斯能和表面張力的單位是相同的，它們的數值也是相同的。第14頁/共92頁半徑0.01m的水滴分散后吉布斯能的增加r(m) NAS=N4r2am(m2kg-1)GS=A(J)10-2 112.5710-43.0010-19.1610-510-3 10312.5710-33.009.1610-410-4 10612.5710-23.001019.1610-310-5 10912.5710-13.001029.1610-210-6 101212.573.001039.1610-110-7 101512.571013.001049.1610-8

6、 101812.571023.001059.1610110-9 102112.571033.001069.16102第15頁/共92頁（二）表面張力（surface tension） 如果在金屬線框中間系一線圈，一起浸入肥皂液中，然后取出，上面形成一液膜。(a)(b) 由于以線圈為邊界的兩邊表面張力大小相等方向相反，所以線圈成任意形狀可在液膜上移動，見(a)圖。 如果刺破線圈中央的液膜，線圈內側張力消失，外側表面張力立即將線圈繃成一個圓形，見(b)圖，清楚的顯示出表面張力的存在。第16頁/共92頁（a）（b）第17頁/共92頁理解表面張力的物理意義：垂直于邊界線，沿著表面的切線方向第18頁/共

7、92頁W2 f= l=w2第19頁/共92頁第20頁/共92頁切線方向第21頁/共92頁表面張力和界面張力比表面能或表面張力是強度性質，其值與物質種類、共存的另一相以及溫度、壓力等因素有關。對純液體來說，若不特別指明，共存的另一相就是指標準壓力時的空氣或飽和蒸氣 。如果另一相不是空氣或飽和蒸氣，表面張力的數值就有可能有相當大的變化，因此必須注明共存相，此時的表面張力通常又稱為界面張力 1-2 。第22頁/共92頁20C一些液體的表面張力物質 物質 水0.0728四氯化碳0.0269硝基苯0.0418丙酮0.0237二硫化碳0.0335甲醇0.0226苯0.0289乙醇0.0223甲苯0.028

8、4乙醚0.0169第23頁/共92頁phase1phase2 phase1 phase2 汞汞汞蒸氣汞蒸氣0.4716水水水蒸氣水蒸氣0.0728汞汞乙醇乙醇0.3643水水異烷異烷0.0496汞汞苯苯0.3620水水苯苯0.0326汞汞水水0.375水水丁醇丁醇0.0017620C界面張力第24頁/共92頁三、表面的熱力學關系式BBBBnpTnVTnpSnVSBBBBBBBBBBBBAGAFAHAUdndAVdpSdTdGdndApdVSdTdFdndAVdpTdSdHdndApdVTdSdU,)()()()(第25頁/共92頁可見，比表面吉布斯能是特定條件下增加單位表面積時，熱力學量的增量

9、。BBBBnpTnVTnpSnVSAGAFAHAU,)()()()(dASdTdGdASdTdFBBnpnV,)()(組成不變的恒容或恒壓體系：第26頁/共92頁在上述四個基本公式上使用Maxwell公式： QR TdS T（dS/dA)T,P相當于擴展單位表面積而吸收的熱，一般是正值，所以表面張力隨溫度的升高而降低。極端的情況是T=TB時， = 0。 0)()()()()( )()(,BBBBBBBnpTnpTnpAnpAnpTnVAnVTdATdSASTTTTASTAS第27頁/共92頁BBBBBBnpAnpTnpTnVAnVTnVTTTASTAHTTASTAU,)(- )()()(- )

10、()(利用表面張力和溫度的關系，可以求擴大單位表面系統(tǒng)的內能和焓的變化值:第28頁/共92頁 為體系的表面內能（1）增加單位表面積時，環(huán)境對體系所做的功（2）增加單位表面積時，體系從環(huán)境所吸收的熱：由于表面積增加熵增加即：恒溫恒容條件下增加比表面體系總是吸熱的。BBnVTnVAASTTT,)( )(或0)(,BnVTASBnVTAU,)(第29頁/共92頁 為體系的表面焓（1）增加單位表面積時，環(huán)境對體系所做的功（2）增加單位表面積時，體系從環(huán)境所吸收的熱：由于表面積增加熵增加即：恒溫恒壓條件下增加比表面體系總是吸熱的。BnpTAH,)(BBnpTnpAASTTT,)( )(或0)(,BnpT

11、AS第30頁/共92頁四、影響表面張力的因素（1）分子間相互作用力的影響（2）壓力的影響 表面張力一般隨壓力的增加而下降。因為壓力增加，氣相密度增加，表面分子受力不均勻性略有好轉。另外，若是氣相中有別的物質，則壓力增加，促使表面吸附增加，氣體溶解度增加，也使表面張力下降。 對純液體或純固體，表面張力決定于分子間形成的化學鍵能的大小，一般化學鍵越強，表面張力越大。(金屬鍵) (離子鍵) (極性共價鍵) (非極性共價鍵)兩種液體間的界面張力，界于兩種液體表面張力之間。第31頁/共92頁（3）溫度的影響 溫度升高，表面張力下降。升高溫度時液體分子間引力減弱，所以表面分子的超額吉布斯能減少。純液體的表

12、面張力升高溫度時也下降，直至臨界溫度時表面張力為0。有例外，少數金屬熔體的表面張力隨溫度升高而升高。正常情況下：液體組成的影響以后討論。nCTT)/1 (0第32頁/共92頁注意，由于有表面功，Qr H Qr=TS T(dS/dA)T,p,nA -T(d/dT)T,p,nA只要知道T的關系就能求擴展表面時的熱效應。 而H應為ATTAHBnpA,)(-第33頁/共92頁由于固體表面的不均勻性，固體的表面張力比較難測，一般都是簡接推算，比如從接觸角等。固體的表面分子與液體一樣，比內部分子有超額的吉布斯能。據間接推算，固體的比表面能或表面張力比一般液體要大得多。第34頁/共92頁第二節(jié) 純液體的表面

13、現(xiàn)象 彎曲表面下的附加壓力1.在平面上2.在凸面上3.在凹面上 Young-Laplace公式 Klvin公式第35頁/共92頁一、曲面的附加壓力The press of liquid : p = p+p p = p -p p 液膜產生的附加壓力。推動活塞使小液滴的體積增加dV，這時環(huán)境做功： Wp pp 第36頁/共92頁W= p dV pdV= pdV 液滴的表面積擴大dA，需做功WW dA W W p dV=dA 也可以理解為，環(huán)境對體系做的功，體系轉化為表面能貯存在體系中。VApdd 第37頁/共92頁 小液滴是球體：A=4 r2 dA= 8 rdr; V=4/3 r3dV= 4 r2

14、dr r-球面的曲率半徑 這就是laplase Formula。 它反應的是彎曲液面下的液體所承受的附加壓力。r2drr4rdr82p第38頁/共92頁Laplase Formula 的注意事項 1. p總是和r成反比與 成正比。 2. p總是指向曲面的球心。 水平面r= ， p= 0 無附加壓力 凸液面r0 p 0 p指向液體的內部 凹液面r 0 p 0，蒸氣壓大于平面下的液體的蒸氣壓，半徑越小其蒸氣壓越大。噴霧干燥就是利用這原理工作的。料液經一噴嘴噴向干燥室，形成極細的霧滴，最佳時霧滴的直徑可達10 ，此時1L液體可霧化成1.911012個小液滴，總面積可達600。霧化后的料液和熱空氣接觸

15、，水份很快氣化。霧滴的溫度一般為50C，干燥時間只需十幾秒。第66頁/共92頁（一）過熱液體和暴沸現(xiàn)象 液體中的小氣泡，r 0, p rp 即液體的小氣泡中的飽和蒸氣壓小于平面下的液體，且半徑越小，泡內的蒸氣壓越小。 當液體的水蒸氣和外壓相等時， 水就到達沸點。但沸騰時小氣 泡的形成是從無到有，從小到 大。最初形成的小氣泡內的飽 和蒸氣壓很小，在外壓的壓迫 下很難形成，至使液體不易沸 騰形成過熱液體。易發(fā)生暴沸 現(xiàn)象。第67頁/共92頁101.325kPa、373K的純水中，離液面0.01M處有一半徑為107M的氣泡。水的密度為958.4kg/m3，表面張力為58.910-3N/m，水的汽化熱

16、為40.66kJ/mol。（1）試求氣泡內的蒸氣壓pr*，（2）氣泡受到的壓力；（3）設水在沸騰時形成的氣泡半徑10-7m，試估算沸騰溫度。解：從開爾文公式求pr*加上水的靜壓力求氣泡所受的壓力用克克方程求沸騰溫度第68頁/共92頁（1）開爾文公式：RTrMppr2ln*kPa6 .100)101(15.373314. 84 .95810015.18109 .582325.101ln*733*rrpp（2）kPa094. 01001. 081. 94 .958kPa10178. 110101109 .582233373ghprp靜kPa1028. 110178. 1094. 0325.1013

17、3atm靜pppp第69頁/共92頁)C190(K0 .46315.3731406701006/1280ln314. 81ln1)11(ln21mVap12212mVap12TTHppRTTTRHpp第70頁/共92頁（二）過飽和蒸汽和人工降雨 高空中如果無灰塵，水蒸氣在凝結成小水滴后才會形成雨，最初形成的小水滴的半徑很小，由于小水滴的飽和蒸氣壓相當大，對于平面已經是過飽和的水蒸氣這時尚未飽和。因此小水滴難以形成。實施人工隆雨時就是向空中撒入凝結核心，使最初的小水滴的曲率半徑加大，這時小水滴的飽和蒸氣壓小于高空中的蒸氣壓，從而形成降雨。第71頁/共92頁 p* pr* T過飽和蒸氣相圖 pr*

18、T p*T第72頁/共92頁ABDOC t t熔過冷液體相圖第73頁/共92頁exercise p302: exercise1;2；3 第74頁/共92頁第三節(jié)液體的潤濕與鋪展一、液體的鋪展liquid2airliquid1G AA，BB， 當G0時A可以在B表面上鋪展。第75頁/共92頁L1-L21-21-32-3liquid1liquid2air第76頁/共92頁1-21-32-3liquid1liquid2air鋪展系數S- GT,p , S= B-A-A,B第77頁/共92頁二、固體表面的潤濕沾濕浸濕鋪展?jié)櫇瘢ㄒ唬┕腆w的潤濕第78頁/共92頁沾濕時：G表，a s,gl,gs,l浸濕時：

19、G表，i s,gs,l鋪展?jié)櫇駮r：G表，s s,gl,gs,lG0， G0，能自發(fā)。實際應用中，由于s,g 和s,l很難測定，上述原理難于應用，一般都用接觸角。第79頁/共92頁 下圖是平面上液滴的剖面圖，s-ll-gs-gs-ll-gs-g（二）接觸角第80頁/共92頁 在氣、液、固三相交界點，氣-液與氣-固界面張力之間的夾角稱為接觸角，通常用表示。 若接觸角大于90，說明液體不能潤濕固體，如汞在玻璃表面； 若接觸角小于90，液體能潤濕固體，如水在潔凈的玻璃表面。 接觸角的大小可以用實驗測量，也可以用公式計算：gllsgscos第81頁/共92頁接觸角的示意圖：第82頁/共92頁Yong方程式 s-g- s-l- l-gcos = 0接觸角 可作為液體對固體的潤濕程度的指標。對一定液體和固體來說，兩者相互達到平衡時，接觸角 具有確定值。因此，常從接觸角的大小來衡量