第1章—— 液态金属的结构与性质-2014.ppt

* 二　液态合金的表面张力 （一）表面张力的实质及影响表面张力的因素 1、表面张力（Surface tension） 单位： 表面张力的单位在SI制中为牛顿/米（N/m），但仍常用 单位是达因/厘米（dyn/cm）。1dyn/cm = 1mN/m=1mJ/m2 表面层：在液体与气体交界面，厚度相当于分子有效作用半径R 的一层液体。习惯上人们仅将气-液，气-固界面称为表面。多相 体系中不同相之间存在着界面 表面张力：平行于表面切线且各方向大小相等的宏观张力。或 者说促使液体表面收缩的力。表面张力使液面尽可能收缩成最小 对表面张力的理解：①表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。②表面张力是分子力的一种表现。发生在液体和气体接触时的边界部分 表面张力系数：表面张力常用表面张力系数表示。在数值上表面张力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关 自然界表面张力现象：比如，露水总是尽可能呈球型；某些昆虫则利用表面张力漂浮在水面上（如水黾）；硬币浮于水面等 2、表面自由能与表面张力的关系 表面自由能（表面能，Surface energy）：为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量 表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，单位也可互换，通常表面张力的单位为力/距离（如N/m、dyn/cm），表面能的单位为能量/面积（如J/m2、erg/cm2 等） 表面与界面：表面与界面的差别在于后者是泛指两相之间的交界面，而前者特指液体或固体与气体之间的交界面，严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。界面张力与界面能的关系相当于表面张力和表面能的关系。广义上液体或固体与气体之间的界面能和界面张力分别为其表面能和表面张力 表面自由能与表面张力的异同 不同点：物理概念和意义不同，从不同角度描述同一表面现象。 ①表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加，其单位为能量/面积（如J/m2、erg/cm2 等） ②表面张力通常指纯物质的表面层分子间实际存在着的（收缩）张力，其单位为力/距离（如N/m、dyn/cm） 相同点：通常可以用同一符号来表示表面自由能或表面张力。两者量纲相同，数值相等。 在分析处理具体问题时，可根据需要选择理解表面自由能和表面张力。在用热力学方法处理表面时，可用表面自由能表示；在作表面相分子的受力分析时，可用表面张力表示 3、影响表面张力的因素 1）原子间的结合力 物体内部原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑ 原子间结合力大的物质，其熔点和沸点高，固体和液体的表 面能和表面张力也大。一般金属的表面张力较非金属和盐大 对晶体而言，表面自由能与晶面有关，若晶体表面为密排晶 面 （低指数晶面），由于密排表面原子配位数与晶体内部的 差值较小，表面内能小，故其表面能也小。若晶体表面为高 指数晶面，其表面内能大，表面能亦大。基于上述原因，晶 体为维持其最稳定状态，其表面往往为低指数（密排）晶面 表面张力与润湿角的关系 两种物质接触，润湿或不润湿的关键取决于两种物质间的亲和力，亲和力大，就润湿，否则，就不润湿。如图所示，就界面张力而言，当达到稳定状态后图中各界面张力之间的关系为： 固-液界面张力γLS越小，cosθ 越趋近于1，也就是说，θ 越趋近于0，这种情况是润湿的 3）溶质元素自由电子数目的影响 表面张力双电层理论：在金属表面分布的电子层与金属正离子之间的作用力构成了对表面的压力，使金属有缩小表面积的倾向。该理论推导出表面张力表达式为： 2）温度的影响：随温度升高而下降。因为原子间距随温 度升高而增大 自由电子数目多的溶质元素，其表面双电层的电荷密度大，对金属表面的压力也大，从而使系统表面张力增加。化合物表面张力之所以较低，是因其自由电子较少的缘故 4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响 主要取决于原子间结合力的改变 向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0 减小，使表面内能降低，这样，将会使表面张力降低 溶质与溶剂的原子体积之差：溶质原子大于溶剂原子，造成原子排布的畸变而使势能增加，倾向于被挤到表面，以降低系统能量，从而使整个系统表面张力降低。原子体积很小的合金元素，在金属中容易进入到熔剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属表面，成为富集在表面的表面活性物质。由于这些元素的金属性很弱，自由电子很少，因此，表面张力小，同样