第三章 液体的表面性质.ppt

公式应用：测表面张力 —— 最大气泡压力法 ps+p控=p大气 减小p控 ：气泡长大，最终逸出 气泡半径r 变化： 大→小→大 ps变化：小→大→小 ps,max= 2σ/r (r曲率=r毛细管) ps,max = p大气 - p控 p控 p大气 pS * 胶体化学 (Colloid Chemistry) 第三章 液体的表面性质 3.1.1 表面分子的受力状态 内部分子：受力对称，合力为零。 表面分子：受力不对称，合力不为零， 受到指向液体内部的“净吸力”。 (重力不计) 3.1 比表面自由能和表面张力 ? 界面有自动收缩的趋势。 无外力作用时，液滴总是自发形成球珠的原因。 问题：海洋中的水为何不成一个大水球? ? 若把液体内部分子拉到表面上时，需克服“净吸力”而对体系做功。 3.1 比表面自由能和表面张力 3.1.2 比表面自由能 (1) 热力学定义 在温度 ( T )、压力 ( p ) 及组成 ( ni ) 恒定条件下，可逆增加体系的 表面积 ( A ) 时，环境对体系所做的非体积功 ( 或表面功 W ) 为： δW = σ dA 其中，σ 为比例常数。 - 可逆过程，只作Wv，一种界面，开放体系: 其中，U - 内能；T - 温度；S - 熵；p - 压力；V - 体积； μi - 化学势；ni - 物质的摩尔量。 - 可逆过程，只作Wv，一种界面，开放体系, 存在表面积变化 ( 有表面功 ): 3.1.2 比表面自由能 H - 焓 F - 亥姆霍兹自由能 G - 吉布斯自由能 定义： 比表面自由能 表面自由能 表面能 多种界面体系： 3.1.2 比表面自由能 单位 J·m-2 容量性质： 体相 表面相 例如： 研究界面变化过程： 3.1.2 比表面自由能 (2) 物理意义 ① 在( )T, p, ni条件下，可逆改变第 i 种界面单位面积，而其它界面 不变时，体系自由能的变化值。 ② 表面过剩量 界面变化过程： ( )T, p, μi, σ 条件下，积分上式得： 单位面积表面层的自由能； 单位面积表面层的分子若处于体系内部时的自由能； σ: 处于表面上的分子与它们处于内部时相比所具有的自由能过剩值。 ? ? ? 3.1.2 比表面自由能 ☆ 把 1 克水分散成半径为 10-9 m 的小液滴时， 表面积由4.85×10-4 m2 增加到 3.0×103 m2， 比表面自由能由 3.5×10-5 J 增加到 218 J， 相当于把 1 克水升高温度约 50 ℃。 ？这个例子是否意味着该分散过程使水温度升高了50 ℃ ？ 3.1.2 比表面自由能 (3) σ与其它热力学量之间的关系 一种界面, 单组份体系, 可逆过程： 全微分： ( )V ∵ ∴ F = U-TS ( )P 3.1.2 比表面自由能 同理： ? σ：( )T，可逆改变单位面积时的表面功 讨论： ? 和 ( )T，可逆改变单位面积时体系所吸收的热 ? ( )T，体系表面积增大，能量增加： ? 环境向体系所做的功 ? 体系为保持恒温向环境吸收的热 3.1.3 表面张力 3.1 比表面自由能和表面张力 ? 界面有自动收缩的趋势 ? 界面存在自动收缩力 (1) 定义: ? 比表面自由能与表面张力物理意义不同，量纲相通， 单位适宜时数值也相同。 引起液体表面收缩的单位长度上的力 - 单位 N·m-1 δW = F · dx = σ · 2 l dx σ = F / 2l ? σ 即为表面张力 ? 液面缩小的方向 ? 平行于液面 (平液面) 或和液面相切 (曲液面) ? 垂直于边界线并指向表面内部 3.1.3 表面张力 (2) 方向: 3.1 比表面自由能和表面张力 3.1.4 σ 的影响因素 (1) 温度 ? σ 随 T 升高而降低 ? 温度系数： 和 ? 非缔合液体，经验式： ：液体的摩尔体积；Tc： 临界绝对温度； k：常数，~ 2.2×10-7 J·K-1 ? 一般 T 增加 10 ℃，σ 降低 1 mN·m-1 3.1.4 σ 的影响因素 (2) 压力 ? 一般 p 增加，σ 降低； ? 一般 p 增加 10 atm，σ降低 1 mN·m-1。 (3) 化学组成 非缔合液体，Sugden公式： T Tc [P]：等张比容，σ = 1时