表面张力与表面能
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表面张力
11
2、 表面能
从功能关系来考察表面张力系数与液 体表面能的关系。见图5-6。
12
外力所作的功为
E A S S
（J· m-2）
即增加单位液面所增加的势能。 由上式可知， α 在数值上等于增加单位液 面时外力所作的功，从能量的角度看，其大小 等于增加单位液面时所增加的表面自由能。 那么液体表面能的减小可以通过下面任 一种自动过程来实现：
2
一、 表面张力和表面能
1、 表面张力
液体具有收缩其表面，使表面积 达到最小的趋势。这说明液体表面存 在着张力，这种张力称为表面张力。 表面张力产生的原因，可以用分 子间相互作用的分子力来加以解释。
3
分子间的平衡距离r0的数量级约 为10-10m。 当两个分子间的距离 r = r0 时，分 子间的作用力为零。
当两分子间的距离大于r0而在10-10～ 10-9m时，分子间的作用力表现为引力; 而当分子间的距离大于 10-9m时， 引力很快趋于零。
4
如果以10-9m为半径作一球面， 显然则只有在这个球面内的分子才 对位于球心上的分子有作用力。
分子作用球 ——分子引力作用范围是 半径为 10-9m 的球形，球的半径称为 分子作用半径。
3、肺泡的表面张力
表面活性物质在呼吸过程中起着重要 的作用： 1、稳定肺泡；2、减少呼吸功。
36
37
人的肺泡总数约为3亿个，各个肺泡的 大小不一，而且有些肺泡是相连的。 在充满空气的肺中，既有肺组织的弹 性力，又有衬在肺泡表面液层组成的 气、液界面上的表面张力。 而对于肺充气来说，大部分压力是来 克服表面张力的。 肺泡的表面液层中分布着有一定量的、 由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性 物质，起降低表面张力系数的作用。
2、 表面能
从功能关系来考察表面张力系数与液 体表面能的关系。见图5-6。
12
外力所作的功为
E A S S
（J· m-2）
即增加单位液面所增加的势能。 由上式可知， α 在数值上等于增加单位液 面时外力所作的功，从能量的角度看，其大小 等于增加单位液面时所增加的表面自由能。 那么液体表面能的减小可以通过下面任 一种自动过程来实现：
2
一、 表面张力和表面能
1、 表面张力
液体具有收缩其表面，使表面积 达到最小的趋势。这说明液体表面存 在着张力，这种张力称为表面张力。 表面张力产生的原因，可以用分 子间相互作用的分子力来加以解释。
3
分子间的平衡距离r0的数量级约 为10-10m。 当两个分子间的距离 r = r0 时，分 子间的作用力为零。
当两分子间的距离大于r0而在10-10～ 10-9m时，分子间的作用力表现为引力; 而当分子间的距离大于 10-9m时， 引力很快趋于零。
4
如果以10-9m为半径作一球面， 显然则只有在这个球面内的分子才 对位于球心上的分子有作用力。
分子作用球 ——分子引力作用范围是 半径为 10-9m 的球形，球的半径称为 分子作用半径。
3、肺泡的表面张力
表面活性物质在呼吸过程中起着重要 的作用： 1、稳定肺泡；2、减少呼吸功。
36
37
人的肺泡总数约为3亿个，各个肺泡的 大小不一，而且有些肺泡是相连的。 在充满空气的肺中，既有肺组织的弹 性力，又有衬在肺泡表面液层组成的 气、液界面上的表面张力。 而对于肺充气来说，大部分压力是来 克服表面张力的。 肺泡的表面液层中分布着有一定量的、 由饱和卵磷脂和脂蛋白组成的表面活性 物质，起降低表面张力系数的作用。
材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案__第五章[1]
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退火温度下限，玻璃将处于拉伸状态。为了防止这种拉应力的产生以及为了使玻璃略带压力，玻璃和金属封接后，往往在煤气火焰上单独地加热金属部分。
（3）玻璃的强度和界面扩散
在考虑到玻璃和金属膨胀系数匹配的基础上，提高破璃的机械强度、尤其是抗拉强度，这对于封接件受到热冲击或者因温度梯度引起的热应力乃至受到使用中的外力时都是有利的。一般玻璃的抗压强度可以很高，达到600～1500MPa，而抗拉强度极低仅是抗压强度的1O%左右。实际上只是抗拉强度会出现问题。如有可能，采用结晶化破璃封接，这是提高玻璃抗拉强度的有效途径，它通常可以达到原始玻璃抗拉
5-8在2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。
解：根据公式 ，可算得△P=2×0.7/10－8=1.4×108N
烧结：是赋予材料性能的一种高温处理工艺，原子向接触点的扩散使颗粒间行形成粘结，进一步扩散最终填满各种剩下的孔隙并使材料的致密度提高。是粉末或粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。低温预烧阶段:在此阶段主要发生金属的回复及吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除等。中温升温烧结阶段:此阶段开始出现再结晶，在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒，同时表面的氧化物被还原，颗粒界面形成烧结颈。高温保温完成烧结阶段:此阶段中的扩散和流动充分的进行和接近完成，形成大量闭孔，并继续缩小，使孔隙尺寸和孔隙总数有所减少，烧结体密度明显增加。
第五章答案
5-1略。
（3）玻璃的强度和界面扩散
在考虑到玻璃和金属膨胀系数匹配的基础上，提高破璃的机械强度、尤其是抗拉强度，这对于封接件受到热冲击或者因温度梯度引起的热应力乃至受到使用中的外力时都是有利的。一般玻璃的抗压强度可以很高，达到600～1500MPa，而抗拉强度极低仅是抗压强度的1O%左右。实际上只是抗拉强度会出现问题。如有可能，采用结晶化破璃封接，这是提高玻璃抗拉强度的有效途径，它通常可以达到原始玻璃抗拉
5-8在2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。
解：根据公式 ，可算得△P=2×0.7/10－8=1.4×108N
烧结：是赋予材料性能的一种高温处理工艺，原子向接触点的扩散使颗粒间行形成粘结，进一步扩散最终填满各种剩下的孔隙并使材料的致密度提高。是粉末或粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度，然后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。低温预烧阶段:在此阶段主要发生金属的回复及吸附气体和水分的挥发，压坯内成形剂的分解和排除等。中温升温烧结阶段:此阶段开始出现再结晶，在颗粒内，变形的晶粒得以恢复，改组为新晶粒，同时表面的氧化物被还原，颗粒界面形成烧结颈。高温保温完成烧结阶段:此阶段中的扩散和流动充分的进行和接近完成，形成大量闭孔，并继续缩小，使孔隙尺寸和孔隙总数有所减少，烧结体密度明显增加。
第五章答案
5-1略。
表面张力和表面能 课件
膜的透过性能和抗污染性能。
在大气污染控制中，表面张力用于颗粒 物的沉降和去除，从而降低大气中的颗 粒物浓度。例如，在湿法脱硫中，表面 张力用于控制液滴的粒径和分布，从而
提高脱硫效率。
THANKS
感谢观看
表面张力的物理意义
表面张力是液体表面所具有的 一种特性，它反映了液体表面 分子间相互作用的强弱。
表面张力决定了液体表面的形 状、大小以及液滴的形状和稳 定性。
表面张力在许多物理现象中起 着关键作用，如毛细现象、润 湿现象、气泡形成和破裂等。
表面张力的影响因素
温度
温度升高，表面张力降低；温 度降低，表面张力增大。
阳能电池板的效率。
在燃料电池的液态水管理中，表 面张力用于控制水分的分布和迁 移，从而影响燃料电池的性能和
寿命。
在环境保护中的应用
表面张力和表面能在环境保护中也有着 重要的应用，如水处理、大气污染控制
、土壤修复等。
在水处理中，表面张力用于控制水的表 面张力，从而提高水处理的效率。例如 ，在超滤膜过滤中，表面张力用于控制
在石油工业中，表面张力用于油水分离、油泥清洁等，以提高采收率和 生产效率。
在化学工业中，表面张力用于化学反应的速率控制、化学物质的分离和 提纯等。
在能源开发中的应用
表面张力在能源开发中也有着重 要的应用，如太阳能电池板的清 洗、燃料电池的液态水管理、核
反应堆的冷却剂管理等。
在太阳能电池板的清洗中，表面 张力起着重要作用，清洗剂的选 择和清洗工艺的优化可以提高太
物质种类
不同物质具有不同的表面张力 ，同一物质在不同温度和压力 下也具有不同的表面张力。
压力
压力对表面张力影响较小，但 在高压下也会引起表面张力的 变化。
在大气污染控制中，表面张力用于颗粒 物的沉降和去除，从而降低大气中的颗 粒物浓度。例如，在湿法脱硫中，表面 张力用于控制液滴的粒径和分布，从而
提高脱硫效率。
THANKS
感谢观看
表面张力的物理意义
表面张力是液体表面所具有的 一种特性，它反映了液体表面 分子间相互作用的强弱。
表面张力决定了液体表面的形 状、大小以及液滴的形状和稳 定性。
表面张力在许多物理现象中起 着关键作用，如毛细现象、润 湿现象、气泡形成和破裂等。
表面张力的影响因素
温度
温度升高，表面张力降低；温 度降低，表面张力增大。
阳能电池板的效率。
在燃料电池的液态水管理中，表 面张力用于控制水分的分布和迁 移，从而影响燃料电池的性能和
寿命。
在环境保护中的应用
表面张力和表面能在环境保护中也有着 重要的应用，如水处理、大气污染控制
、土壤修复等。
在水处理中，表面张力用于控制水的表 面张力，从而提高水处理的效率。例如 ，在超滤膜过滤中，表面张力用于控制
在石油工业中，表面张力用于油水分离、油泥清洁等，以提高采收率和 生产效率。
在化学工业中，表面张力用于化学反应的速率控制、化学物质的分离和 提纯等。
在能源开发中的应用
表面张力在能源开发中也有着重 要的应用，如太阳能电池板的清 洗、燃料电池的液态水管理、核
反应堆的冷却剂管理等。
在太阳能电池板的清洗中，表面 张力起着重要作用，清洗剂的选 择和清洗工艺的优化可以提高太
物质种类
不同物质具有不同的表面张力 ，同一物质在不同温度和压力 下也具有不同的表面张力。
压力
压力对表面张力影响较小，但 在高压下也会引起表面张力的 变化。
表面张力与表面能.
3、气体栓塞
* 润湿现象。
(gas embolism)
* 液体在细管中流动时，如果管中有气泡，液体的流 动将受到阻碍，气泡多时可发生阻塞，这种现象叫气体 栓塞。 * 细管中有气泡：
静止液体
静止液体
气泡
P附左
=
P附右
*气泡产生阻力：
阻力压强 =P附右-P附左
P + P
液体
气泡
O
f sh
fs
表面张力的水平分量相互抵消:
f sh 0
表面张力的垂直分量: 球冠底面积：
R
f sv f s sin
A ( R sin )2 R 2 sin 2
f sv 2R sin 2 2 2 2 A R sin R
f sv f s sin (2r ) sin 2 (2R) sin
表面张力产生的附 加压强:
P0
f 凸面
PS
f
P0
f
凹面
Pi
PS Pi
f
f sv Pi Po A f sv 2 Ps Pi Po A R
P i P o
凸面 :
f sv Po Pi A f sv 2 Ps Pi Po A R
凹面 : Ps Pi Po
表面张力的测定：
A D 平衡时：
f 2 l
l 2l 液体薄膜 B C f *表面张力系数：
f 2l
（1）表面张力系数是液体本身的固有性，与液体的种类相关。 （2）与液体的温度有关。温度愈高，液体的表面张力系数愈小。 （3）与液体的纯度有关。 （4）与相邻的介质有关。
3.表面张力系数与表面能： 增加单位表面积所作的功： A D D′
表面张力和表面能 课件
表面张力和表面能的应用
表面张力在生活中的应用
01
02
03
露珠呈球形
由于表面张力，水滴在荷 叶或树叶上呈球形，不易 散开。
气泡形成
在洗衣服、洗碗时，表面 张力使气泡在水中形成并 保持。
防水表面
表面张力可以用于创造防 水表面，如荷叶的自洁效 应。
表面能在工业中的应用
涂层附着
表面能的大小影响涂层与 基材的附着力，选择合适 的涂层材料和工艺可以提 高附着力。
表面能与物质性质的关系
物质性质对表面能的影响
物质的化学性质、晶体结构、分子间作用力等都会影响其表 面能。例如，极性分子具有较大的表面能，因为它们具有更 强的分子间相互作用力。
表面能的应用
在化学、物理、工程等领域中，表面能具有广泛的应用，如 润湿现象、自组装单层膜、晶体生长等都与表面能密切相关 。
04
力等因素有关。
表面能
表面能是固体表面的能量，它是 由于固体表面原子或分子的排列 不规整而引起的。表面能的大小 与表面的粗糙度、化学组成、温
度等因素有关。
实验方法
通过测量液体在固体表面上展开 的角度或测量液体在固体表面上 的接触角，可以计算出表面张力
和表面能。
实验步骤
准备实验器材
测量液体在固体表面上的接触角
表面张力计、表面能计、待测液体和固体 样品等。
将待测液体滴在固体表面上，观察液滴的 形状，并测量接触角。
计算表面张力和表面能
分析实验结果
根据接触角的大小，利用相关公式计算出 表面张力和表面能。
分析实验结果，了解表面张力和表面能与 物质性质的关系，并得出结论。
06
相关理论介绍
杨氏方程
总结词
杨氏方程是描述表面张力和表面分子 间的相互吸引程度。
表面张力在生活中的应用
01
02
03
露珠呈球形
由于表面张力，水滴在荷 叶或树叶上呈球形，不易 散开。
气泡形成
在洗衣服、洗碗时，表面 张力使气泡在水中形成并 保持。
防水表面
表面张力可以用于创造防 水表面，如荷叶的自洁效 应。
表面能在工业中的应用
涂层附着
表面能的大小影响涂层与 基材的附着力，选择合适 的涂层材料和工艺可以提 高附着力。
表面能与物质性质的关系
物质性质对表面能的影响
物质的化学性质、晶体结构、分子间作用力等都会影响其表 面能。例如，极性分子具有较大的表面能，因为它们具有更 强的分子间相互作用力。
表面能的应用
在化学、物理、工程等领域中，表面能具有广泛的应用，如 润湿现象、自组装单层膜、晶体生长等都与表面能密切相关 。
04
力等因素有关。
表面能
表面能是固体表面的能量，它是 由于固体表面原子或分子的排列 不规整而引起的。表面能的大小 与表面的粗糙度、化学组成、温
度等因素有关。
实验方法
通过测量液体在固体表面上展开 的角度或测量液体在固体表面上 的接触角，可以计算出表面张力
和表面能。
实验步骤
准备实验器材
测量液体在固体表面上的接触角
表面张力计、表面能计、待测液体和固体 样品等。
将待测液体滴在固体表面上，观察液滴的 形状，并测量接触角。
计算表面张力和表面能
分析实验结果
根据接触角的大小，利用相关公式计算出 表面张力和表面能。
分析实验结果，了解表面张力和表面能与 物质性质的关系，并得出结论。
06
相关理论介绍
杨氏方程
总结词
杨氏方程是描述表面张力和表面分子 间的相互吸引程度。
表面物理化学
第二节 表面现象 界面：相与相之间的接触面 表面：习惯上把固相或液相与气相的 界面称为表面。在要求不严格 的场合下，“界面”和“表面” 两 词可通用。在相界面上发生的 一切物理、化学现象称为界面 现象，或表面现象。
一、表面张力与表面能
(1) 表面张力：液体表面存在着自动 缩小的趋势，或者说表面恒有一种抵 抗扩张的力，即表面张力，用符号σ 表示，其物理意义是垂直作用于单位 长度相表面上的力。单位为：N ·m-1。
表面活性物质：能显著降低水表 面张力的物质 它所引起液体表面的吸附是正吸附。 表面惰性物质：能使水的表面张 力升高的物质 它所引起液体表面的吸附是负吸附。
2. 表面活性物质 结构特征：具有两亲性集团是表 面活性物质在分子结构上的共同特 征。一类是极性基团(亲水基或疏油 基)，如―OH、―COOH 、―NH2、 ―SH、―COONa 、― SO3Na等； 另一类是非极性基团（亲油基或 疏水基）如直链或带支链的有机羟 基
(二) 液体表面的吸附和表面活性物质 1. 液体表面上的吸附 液体表面也会因某种溶质的加入 而产生吸附。在一定温度下，纯 液体的表面张力为一定值，若在 纯液体(如水)中加入某种溶质， 有两种情况。
(1) NaCl、KNO3等无机盐类以及 蔗糖、甘露醇等多羟基有机物 溶于水，可使水表面张力稍微 升高； (2) 肥皂、烷基苯磺酸盐(合成洗 涤剂)进入水中，在一定范围 内，使水的表面张力显著降低。
(3) 吸附原因：若加入的溶质能降低 溶剂表面张力，从而降低体系表面能， 则溶液表面层中将保留更多的溶质分子 （或离子），其表面层的浓度大于溶液 内部的浓度，这种吸附称为正吸附（简 称吸附）；反之，若加入的溶质将增高 溶剂的表面张力，则溶液表面层将排斥 溶质分子(或离子)，使其尽可能进入溶 液内部，此时溶液表面层的浓度小于其 内部浓度，这种吸附称为负吸附。
一、表面张力与表面能
(1) 表面张力：液体表面存在着自动 缩小的趋势，或者说表面恒有一种抵 抗扩张的力，即表面张力，用符号σ 表示，其物理意义是垂直作用于单位 长度相表面上的力。单位为：N ·m-1。
表面活性物质：能显著降低水表 面张力的物质 它所引起液体表面的吸附是正吸附。 表面惰性物质：能使水的表面张 力升高的物质 它所引起液体表面的吸附是负吸附。
2. 表面活性物质 结构特征：具有两亲性集团是表 面活性物质在分子结构上的共同特 征。一类是极性基团(亲水基或疏油 基)，如―OH、―COOH 、―NH2、 ―SH、―COONa 、― SO3Na等； 另一类是非极性基团（亲油基或 疏水基）如直链或带支链的有机羟 基
(二) 液体表面的吸附和表面活性物质 1. 液体表面上的吸附 液体表面也会因某种溶质的加入 而产生吸附。在一定温度下，纯 液体的表面张力为一定值，若在 纯液体(如水)中加入某种溶质， 有两种情况。
(1) NaCl、KNO3等无机盐类以及 蔗糖、甘露醇等多羟基有机物 溶于水，可使水表面张力稍微 升高； (2) 肥皂、烷基苯磺酸盐(合成洗 涤剂)进入水中，在一定范围 内，使水的表面张力显著降低。
(3) 吸附原因：若加入的溶质能降低 溶剂表面张力，从而降低体系表面能， 则溶液表面层中将保留更多的溶质分子 （或离子），其表面层的浓度大于溶液 内部的浓度，这种吸附称为正吸附（简 称吸附）；反之，若加入的溶质将增高 溶剂的表面张力，则溶液表面层将排斥 溶质分子(或离子)，使其尽可能进入溶 液内部，此时溶液表面层的浓度小于其 内部浓度，这种吸附称为负吸附。
第三章表面张力及表面能
• 2 × 0.01 m × 0.072 Jm−2 = 1.44 × 10−3N
That corresponds to a weight of 0.15 g.
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 such as van der Waals forces or hydrogen bonds.
乙醚
甲醇 乙醇 硝基苯 苯 苯 甲苯 四氯化 碳
25
20 20 20 20 30 20 220.1422.50 22.39 43.35 28.22 27.56 28.52 26.76
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
一些液体的表面张力
液体 全氟戊 烷 温度／ ℃ 20 表面张力 (mN/m) 9.89 液体 三氟甲 烷 温度 /℃ 25 表面张力 (mN/m) 26.67
全氟庚 烷
全氟环 己烷 正己烷 正庚烷 正辛烷 水 水 水
20
20 20 20 20 20 25 30
13.19
15.70 18.43 20.30 21.8 72.8 72.0 71.2
AS 4 r 2 4 4 / 3 cm2 4.84 104 cm2
低表面张力和低表面能
低表面张力和低表面能表面张力和表面能是物质在界面上表现出的两个重要性质。
低表面张力和低表面能的物质在很多领域都具有重要应用价值。
本文将分别介绍低表面张力和低表面能的概念、原因及应用，并探讨其在科学研究和工程技术中的重要意义。
一、低表面张力1.概念表面张力是指液体分子表面的一种特殊力，使液体表面呈现出一种具有弹性的薄膜状。
低表面张力意味着液体分子之间的相互吸引力较小，表面薄膜具有较高的可伸展性和易破裂性。
2.原因低表面张力的现象往往与分子间的相互作用力有关。
例如，表面活性剂的存在可以降低液体的表面张力。
表面活性剂分子在液体表面形成一层分子薄膜，使分子间相互吸引力减小，从而降低表面张力。
3.应用低表面张力的液体在很多领域都具有重要应用价值。
例如，洗涤剂中的表面活性剂可以降低水的表面张力，使水能够更好地渗透和清洁物体表面。
此外，低表面张力还可以应用于液体射涂、油墨喷印、纺织印染等工艺中，提高液体的润湿性和渗透性，实现更好的处理效果。
二、低表面能1.概念表面能是指单位面积的表面上所含有的能量。
低表面能意味着物质表面上所含有的能量较低，表面较为稳定。
2.原因低表面能往往与物质的化学性质有关。
例如，某些高分子材料表面具有较低的表面能，是因为该材料表面上存在大量的非极性官能团，使表面能降低。
3.应用低表面能的物质在涂料、涂膜、粘接等领域具有广泛应用。
例如，低表面能材料可以用于制备抗污染、防粘附的涂层，使物体表面不易被污染物粘附，具有良好的自洁性能。
此外，低表面能材料还可以应用于微流控芯片、生物医学材料等领域，实现更好的流体控制和生物相容性。
低表面张力和低表面能是物质在界面上表现出的两个重要性质。
低表面张力的液体具有较高的可伸展性和易破裂性，而低表面能的物质表面较为稳定。
这两种性质在洗涤剂、涂料、涂膜、粘接等领域具有广泛应用，对于提高工艺效率和产品性能具有重要意义。
在未来的科学研究和工程技术中，我们有望进一步探索低表面张力和低表面能的机制，开发出更多具有应用潜力的材料和技术。
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表面张力是液体表面的一种性质，表现为液体表面像弹性薄膜一样具有收缩的趋势。这是由于液体表面层分子受到指向液体内部的吸引力作用，使得表面层呈现出紧张状态。表面张力的大小与液体种类、温度、纯度和相邻介质等因素密切相关。表面张力系数是衡量液体表面张力大小的物理量，它等于液体增加单位表面积所作的功。通过表面张力系数，我们可以了解不同液体在相同条件下表面张力的大小关系。此外，表面张力还可以解释许多液面现象，如弯曲液面的附加压而产生的。例如，在弯曲液面中，表面张力会产生附加压强，使得液面内部的压强与外部压强不再相等。同样，在球形液膜中，表面张力也会导致内外表面的压强差。这些现象不仅在日常生活中随处可见，而且在工业生产、科学实验中也有着广泛的应用。