表面张力以及表面能PPT课件.ppt
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1、关于表面张力及表面能第一张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面现象表面现象水滴为什么是圆形而水滴为什么是圆形而不是方形不是方形第二张,PPT共九十六页,创作于2022年6月第三张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面现象表面现象它们为什么可以漂在它们为什么可以漂在水面上水面上第四张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面张力与表面自由能表面张力 (surface tension)表面自由能(surface free energy)第五张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面张力表面张力(Surface Tension)第六张,PPT共九十六页,创作于2022年6月Sur
2、face tension第七张,PPT共九十六页,创作于2022年6月Surface tension of water drop第八张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面张力表面张力(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。的单位线段上,指向使表面紧缩的方向并与表面相切。注意:注意:1.1.表面张力是作用在单位长度线段上的表面张力是作用在单位长度线段上的力,量纲为力,量纲为 m m-1-1。2.2.表面张力表面张力 也常被称为表面张力系也常被称为表面张力系
3、数。数。作用于单位边界线上的这种力称为表面张力,用作用于单位边界线上的这种力称为表面张力,用 表示表示,单位是单位是Nm-1。肥皂膜肥皂膜F第九张,PPT共九十六页,创作于2022年6月2.1.3 surface free energy第十张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面自由能表面自由能(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液体表面积增大的过程是克服液相分子吸引力,使使体相分子转移到表面相的过程,需要环境对体系做功。以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:可逆方式做功最少,称之为表面功:由
4、吉布斯自由能性质可知,在恒温、恒压、组成不变的条件由吉布斯自由能性质可知,在恒温、恒压、组成不变的条件下,此表面功即等于体系吉布斯自由能的增量:下,此表面功即等于体系吉布斯自由能的增量:第十一张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)1.狭义定义:保持体系温度、压力、组成不变时,增狭义定义: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增量。加单位表面积,体系吉布斯自由能的增量。也称为比表面吉布斯自由能第十二张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)表
5、面化学基本热力学关系式:表面化学基本热力学关系式:第十三张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面自由能表面自由能(Surface Free Energy)2.广义定义:保持体系相应变量不变时,增加单广义定义:保持体系相应变量不变时,增加单位表面积,体系热力学函数的增量。位表面积,体系热力学函数的增量。第十四张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力 对于表面相,我们从对于表面相,我们从“能能”和和“力力”的角度引出了两个不同的角度引出了两个不同的概念:的概念:表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力。事实上这两个概念有着密切的。事实上这两个概念有着
6、密切的联系联系一、两者量纲相同一、两者量纲相同表面自由能的量纲表面自由能的量纲表面张力量纲表面张力量纲第十五张,PPT共九十六页,创作于2022年6月表面自由能与表面张力表面自由能与表面张力二、对于同一体系的同一个表面或界面其数值相等,物理意义不同。例如:T=20第十六张,PPT共九十六页,创作于2022年6月若以表面自由能的单位:J/m2来表示,其数值应该为多少?思考题:已知:第十七张,PPT共九十六页,创作于2022年6月Table 2.1:Surface tensions of some liquids at different temperatures T.第十八张,PPT共九十六页,
7、创作于2022年6月表面张力的微观成因表面张力的微观成因表面相分子受力不均匀,表面相分子受力不均匀,其分子有被拉入液相的趋其分子有被拉入液相的趋势。势。这种受力不均匀性是表面这种受力不均匀性是表面现象产生的微观成因。现象产生的微观成因。液体的液体的表面积因而有自发表面积因而有自发收缩的收缩的趋势。趋势。液相液相气相气相 第十九张,PPT共九十六页,创作于2022年6月思考题 表面张力与哪些因素有关?即表面张力受哪些因素影响?第二十张,PPT共九十六页,创作于2022年6月With this view can be interpreted as the energy required to br
8、ing molecules from inside the liquid to the surface and to create new surface area.Therefore often the term“surface energy”is used for.第二十一张,PPT共九十六页,创作于2022年6月Figure 2.1 Schematic representation of a liquid molecule in the bulk liquid and at the surface.A downward attraction force is operative on t
9、he surface molecule due to the lack of liquid molecules above it.第二十二张,PPT共九十六页,创作于2022年6月4.影响纯物质的影响纯物质的的因素的因素(1)物质本身的性质(极性液体比非极性液体大,物质本身的性质(极性液体比非极性液体大,固体比液体大)固体比液体大)(2)与另一相物质有关与另一相物质有关 /(N m-1)水水-正庚烷正庚烷 0.0502 苯苯 0.0350 汞汞 0.415纯液体的表面张力是指与饱和了其本身蒸汽的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。空气之间的界面张力。(3)(3)与温度有
10、关:一般随温度升高而下降与温度有关:一般随温度升高而下降(4)(4)受压力影响较小受压力影响较小第二十三张,PPT共九十六页,创作于2022年6月一些液体的表面张力液体温度表面张力(mN/m)液体温度/表面张力(mN/m)全氟戊烷209.89三氟甲烷2526.67全氟庚烷2013.19乙醚2520.14全氟环己烷2015.70甲醇2022.50正己烷2018.43乙醇2022.39正庚烷2020.30硝基苯2043.35正辛烷2021.8苯2028.22水2072.8苯3027.56水2572.0甲苯2028.52水3071.2四氯化碳2226.76第二十四张,PPT共九十六页,创作于2022
11、年6月一些油水界面张力(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45.1正丁醇水1.8正己烷水51.1庚酸水7.0正辛烷水50.8硝基苯水25.2第二十五张,PPT共九十六页,创作于2022年6月小结:表面张力与表面自由能表面张力(surface tension)是垂直作用于液体表面上任一单位长度、与液面相切的收缩表面的力。表面张力是液体的基本物理化学性质之一。单位:mN/m(毫牛/米)表面自由能(surface free energy):是恒温恒压下增加单位表面积时体系自由能的增量,称作比表面自由能,简称表面自由能。单位:mJ/m2(毫焦/米
12、2)第二十六张,PPT共九十六页,创作于2022年6月Figure 2.2:Schematic set-up to verify Eq.(2.2)and define the surface tensionW=A.第二十七张,PPT共九十六页,创作于2022年6月第二十八张,PPT共九十六页,创作于2022年6月If a water film is formed on a frame with a slider length of 1 cm,then the film pulls on the slider with a force of第二十九张,PPT共九十六页,创作于2022年6月2 0
13、.01 m 0.072 Jm2=1.44 103NThat corresponds to a weight of 0.15 g.第三十张,PPT共九十六页,创作于2022年6月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 su
14、ch as van der Waals forces or hydrogen bonds.第三十一张,PPT共九十六页,创作于2022年6月Without this attraction there would not be a condensed phase at all,there would only be a vapor phase.The sheer existence of a condensed phase is evidence for an attractive interaction between the molecules.At the surface,molecule
15、s are only partially surrounded by other molecules and the number of adjacent molecules is smaller than in the bulk(Fig.2.3).第三十二张,PPT共九十六页,创作于2022年6月2.3 Schematic molecular structure of a liquidvapor interface.第三十三张,PPT共九十六页,创作于2022年6月This is energetically unfavorable.In order to bring a molecule f
16、rom the bulk to the surface,work has to be done.With this view can be interpreted as the energy required to bringmolecules from inside the liquid to the surface and to create new surface area.Therefore often the term“surface energy”is used for.第三十四张,PPT共九十六页,创作于2022年6月Example:Estimate the surface te
17、nsion of cyclohexane from the energy of vaporization vapU=30.5 kJ/mol at 25C.The density of cyclohexane is =773 kg/m3,its molecular weight is M=84.16 g/mol.第三十五张,PPT共九十六页,创作于2022年6月For a rough estimate we picture the liquid as being arranged in a cubic structure.Each molecule is surrounded by 6 near
18、est neighbors.Thus each bond contributes roughly vapU/6=5.08 kJ/mol.At the surface one neighbor and hence one bond is missing.Per mole we therefore estimate a surface tension of 5.08 kJ/mol.第三十六张,PPT共九十六页,创作于2022年6月To estimate the surface tension we need to know the surface area occupied by onemolec
19、ule.If the molecules form a cubic structure,the volume of one unit cell is a3,where a is the distance between nearest neighbors.This distance can be calculated from the density:第三十七张,PPT共九十六页,创作于2022年6月第三十八张,PPT共九十六页,创作于2022年6月For such a rough estimate the result is surprisingly close to the experim
20、ental value of 0.0247 J/m2.第三十九张,PPT共九十六页,创作于2022年6月例题例1、将1g水分散成半径为 m的小水滴(视为球形),其表面积增加了多少倍?解:对大水滴 对小水滴 第四十张,PPT共九十六页,创作于2022年6月弯曲液面下的附加压力Curved liquid surfaces with additional pressurefsP0f=P0+PsffP0s=P0-Ps第四十一张,PPT共九十六页,创作于2022年6月弯曲液面的力平衡条件弯曲液面的力平衡条件1.1.水平液面:水平液面:此结果与不考虑表面相时的结果完全一致,说明一般此结果与不考虑表面相时的
21、结果完全一致,说明一般情况下,经典的力平衡条件是成立的情况下,经典的力平衡条件是成立的 g l第四十二张,PPT共九十六页,创作于2022年6月弯曲液面的力平衡条件弯曲液面的力平衡条件2.2.凸液面(液滴):凸液面(液滴):杨-拉普拉斯公式第四十三张,PPT共九十六页,创作于2022年6月弯曲液面的力平衡条件弯曲液面的力平衡条件3.3.凹液面(气泡):凹液面(气泡):第四十四张,PPT共九十六页,创作于2022年6月From a comparison of similar triangles,it follows that 第四十五张,PPT共九十六页,创作于2022年6月If the sur
22、face is to be in mechanical equilibrium,the two work terms as given must be equal,and on equating them and substituting in the expressions for dx and dy,the final result obtained is R1 and R2 are the two principal radii of curvature.P is also called Laplace pressure.第四十六张,PPT共九十六页,创作于2022年6月第四十七张,PP
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