物性估算原理及计算机计算-表面张力估算(243-250)
表面张力系数的估算
02
表面张力系数的测量方法
最大泡法
总结词
最大泡法是一种简单易行的测量表面张力系数的方法，通过观察气泡最大直径时的受力平衡来计算表面张力。
详细描述
最大泡法的基本原理是将液体置于封闭容器中，通过施加压力使液体内部产生气泡。随着压力的增加，气泡逐渐 增大，当气泡达到最大直径时，其所受的表面张力和内部压力达到平衡状态。通过测量气泡的最大直径和内部压 力，可以计算出表面张力系数。
在生物学中的应用
细胞膜功能
细胞膜的表面张力系数对细胞膜的通透性和流动性有影响，进而影 响细胞的功能和行为。
生物分子相互作用
生物分子间的相互作用与表面张力系数有关，通过估算表面张力系 数可以更深入地了解分子间的相互作用机制。
生物膜模拟
在生物学研究中，常使用表面张力系数来模拟生物膜的性质，如细胞 膜的通透性和流动性等。
旋转滴法
总结词
旋转滴法是一种测量表面张力系数的方 法，通过观察旋转圆盘上液滴的形状和 速度来计算表面张力。
VS
详细描述
旋转滴法的基本原理是将液滴滴在旋转的 圆盘上，随着圆盘的旋转，液滴逐渐拉长 并形成近似椭球形。通过测量液滴的长度 、宽度和速度，可以计算出表面张力系数 。该方法需要使用高速摄像机和精确的测 量工具，以确保测量结果的准确性。
物质种类
不同物质的表面张力系数不同，这是因为不同物质分子间的相互作用力和分子结构不同。
表面张力系数的物理意义
表面张力系数是液体表面性质的一个重要参数， 它决定了液体表面的形貌和稳定性。
表面张力系数的大小反映了液体分子间相互作 用力的强弱，因此可以用来研究液体的物理和 化学性质。
在工业生产和科学实验中，表面张力系数具有 重要的应用价值，如表面活性剂的合成、燃料 电池的制造、纳米材料的制备等。
表面张力系数的估算
汞
= 20110-3 kgmol-1，
= 13.6103 kgm-3，
r0 = 2.9110-10 m， Lv = 5.90104 Jmol-1，
估算= 1.9310-1 Nm-1， 实测= 4.9010-1 Nm-1， = (估算 实测)/实测 = 60%.
铅
= 20710-3 kgmol-1，
= 9.81103 kgm-3(1000℃)，
r0 = 3.2710-10 m， Lv = 1.93105 Jmol-1，
估算= 4.9910-1 Nm-1， 实测= 4.7310-1 Nm-1，
= (估算 实测)/实测 = 5.5%.
氧
= 32.010-3 kgmol-1，
= 1.14103 kgm-3(90.19 K)
r0 = 3.6010-10 m， Lv = 6.83103 Jmol-1，
估算= 1.4610-2 Nm-1， 实测= 1.3610-2 Nm-1， = (估算 实测)/实测 = 7.4%.
表面张力 系数的估算
宏观液体系统的表面积 正比于其线度的平方，而 其体积却正比于线度的立 方。因此，把整个系统的 表面积平均分配给每个分 子后，它比分子的表面积 小得多，可以忽略不计。
如果把液体分子视为边 长为分子力平衡距离 r0的 立方体，当液体汽化后， 每个液体分子将增加 6r02 的表面积。由此可见，液 体的汽化热就应该等于液 体表面自由能的增加。
若Lv为液体的摩尔汽化
热， 为液体的表面张力
系数，NA为阿伏伽德罗常 量，则对一摩尔液体可得
Lv = 6r02NA .
由此可知
= Lv/(6r02NA).
上式中的分子力平衡
表面张力的概念及其影响因素
表面张力的概念及其影响因素
表面张力的概念及其影响因素
液体表面张力是指作用于液体表面，使液体表面积缩小的力。
表面张力的力学定义是作用于液体表面上任何部分单位长度直线上的收缩力，力的方向是与该直线垂直并与液面相切，单位为mN·m-1。
它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大，分子间的相互作用表现为引力。
就象拉开的弹簧，弹簧表现收缩的趋势。
正是因为张力的存在，有些小昆虫才能在水面上行走自如。
影响液体表面张力的因素：
一、物质的本性。
液体的表面张力（或表面自由能）是表示将液体分子从体相拉到表面上所做功的大小，与液体分子间相互作用力的性质和大小有关。
相互作用强烈，不易脱离体相，表面张力就大。
1、无机液体的表面张力比有机液体的表面张力大（20℃水的表面张力72.8mN/m，有机液体的表面张力都小于水）；2、含氮、氧等元素的有机液体的表面张力较大，含F、Si的液体表面张力最小；3、分子量大表面张力大；4、水溶液：如果含有无机盐，表面张力比水大；含有有机物，表面张力比水小。
二、温度的影响。
温度升高，分子键引力减弱，表面张力随温度升高而减小。
同时，温度升高，液体的饱和蒸气压增大，气相中分子密度增加，气相分子对液体表面分子的引力增大，导致液体表面张力减小。
当温度达到临界温度T c时，液相与气相界线消失，表面张力降为零。
三、压力的影响。
随压力增大，表面张力减小。
低压下影响不明显，高压下引起比较明显的变化。
第一节 物质表面张力
（1）当
（2）
第二项为负值，
随 bn 有 一 最 大 值 ， 即
有： 由式（4）（5）得
（5）代入（6）
（5） （6）
a: 微小球粒溶解平衡时在溶液中的活度； a0: 平板状或粒径>10-6米的固体溶解平衡时在溶液中的活度
对MmXn难溶固体，活度可以用摩尔溶解度S表示 对难溶非离子化合物： 利用上式，可计算或测定表面张力，但S难于确定。
4、过饱和与过热现象
在饱和蒸汽中，新相形成按几个阶段进行，即： 初始生成一些分子团作为胚胎→胚胎长大或聚集成核→成为大液滴。形成 新相先驱阶段需要表面自由能，此表面自由能相当于表面曲率所引起的自 由能，即：
或： 蒸气部分
气液平衡时：
所以 - - - - - - - - 液滴的半径
- - - - - - - - - 液体的摩尔体积
2、公式应用
1）、小液滴表面的蒸气压
对小液滴， △p>0，蒸气压增加。 例，20℃时水的
当p/p0= 1.0011
b=
10-6
1.011 10-7
1.114 10-8
2.939 时 10-9
（4）利用表1-5和公式（3），求表面张力 （5）测定液-液表面张力可按下公式计算
4、DuNouy吊环法
原理：
欲使浸在液面上的金属环脱离液面，其所需的最大 拉力，等于吊环自身重量加上表面张力与被脱离液面 周长的乘积。
令表面作用力：
则：
--------(1)
按公式（1）处理，误差可达25%，主要是因为被拉起的液体并非标准的 圆筒形所致。
所有，只有当b<10-6米时，表面上的蒸气压才能显现出来
2）、液体中的气泡
气泡内的蒸气压，由于b<0，所以△p<0。当气泡为几个微米时，蒸气压 降低值比kelvin公式计算值大10.8倍，这是因为毛细管的凝聚现象所致
表面张力 分子动力学
表面张力分子动力学
表面张力是指液体与气体或液体与固体接触的表面上所表现出的一种现象，通俗地讲，就是与空气或固体接触时会产生一个像薄膜一样的力，使液体形成一个球或珠状。
表面张力通常用“γ”表示，单位是牛/米(n.m^-1)。
表面张力的原理与分子动力学密切相关。
在液体的表面，由于分子吸引力的缘故，表面上的液体分子会互相靠近，这会使表面的面积缩小，从而产生了表面张力。
当液体分子可以自由流动时，表面张力会使液体自发形成一个最小表面积的状态，而这种状态可以形成球形，因为球形可以产生最小的表面积，这样可以减少表面张力带来的能量。
分子动力学是一种以分子为研究对象，研究分子在宏观尺度下的运动、变化和相互作用的方法。
它通过对分子间作用力的建模和计算机模拟来探究各种物理、化学过程的微观机理，广泛应用于材料科学、生物学、化学、地球科学等领域。
在研究表面张力时，分子动力学可以被用来模拟表面分子的运动和互动，从而更好地理解和描述表面张力现象的本质。
表面张力
仪器名称仪器设备名称：全自动表面界面张力仪型号：K100C型国别厂家：德国KRUSS公司工作原理目前，人们对物质的本性认识越来越深刻，因此，对科学家和科技工作者，物质边界层的研究显得更为重要，通常，多相系统的各相之间，存在着界面，一般水的界面是气-液界面，称为表面，桌子的界面是气-固界面，液液的是液-液。
度量这个无规则排列的边界的物理量有表/界面张力和表面自由能。
而分析界面的最有效仪器就是“全自动表面/界面张力仪”。
准确的表征材料表面和液体的性能对于开发新的性能更好、质量更佳的产品是至关重要的。
对接触角和表面/界面张力进行测量，可以更好地理解固/液、液/液之间的相互作用。
这些相互作用对于理解固体表面的粘接性、材料润湿性、生物相容性、润滑性，以及液体的浸润、洗涤性、扩散和吸附十分重要。
在采用现代复杂的表面工程技术进行开发和改进液固表面时，接触角和表面/界面张力的测量手段可以提供所需要的信息。
表面/界面张力测试原理表面张力γ是指作用于液体表面单位长度上使表面收缩的力，或者说液体表面相邻两部分间单位长度内相互牵引的力，它是分子力的一种表现，其方向与液面相切。
由于表面张力的作用,使得液滴的形状总是趋向于球形。
液体的表面张力越大，其液滴的形状越接近于球形、越难于在固体平面上散开来。
同时，绝大多数的液体表面张力是随着温度的增加而降低，所以，表面张力的大小，不仅与液体种类、性质和组成有关，而且和温度以及与它相接触的另一相物质的种类、性质和组成等有关。
对于洗涤、润湿、乳化和其它表面相关问题，γ可以特别灵敏的进行表征。
K100C型全自动表面/界面张力仪采用的测量方法为威廉（Wilhelmy）片法。
该方法的测量原理：测量部分是一个垂直悬挂的铂片，其几何形状已知，铂片表面进行了粗糙化处理以提高其润湿性。
装有待测液体的容器缓慢上升，直至铂片的底边与液面接触，由于表面张力的存在，液体对铂片产生一个向下的拉力Fw 称为Wilhelmy力。
《物性估算原理及计算机计算》 第5章基团贡献法及其应用
5.1 分子性质的加和性 5.2 基团贡献法 5.3 基团贡献法估算纯组分的基本性质 5.4 基团法计算纯物质的蒸汽压和汽化热 5.5 基团贡献法估算理想气体的标准生成热、标准熵和比热容 5.6 基团贡献法估算饱和液体密度和液体比热容 5.7 基团贡献法估算流体的传递性质 5.8 基团贡献法估算表面张力 5.9 基团贡献法计算机编程示例
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5.2 基团贡献法
5.2.1 基团的划分
按功能团划分基团，这是基团划分的最基本依据，因为每种功能团 往往表现出有其独特的物理化学性质，即使在不同类型的分子中也是如 此，在同系物分子中规律性尤其明显。这正好与划分结构单元的目的相 符合，而功能团之所以具有独特的物理化学性质，正是由于它所具有的 是特定原子间的特定相互作用。除了按功能团划分基团外，还从下面几 个方面加以细分：
对称性修正只对估算标准熵SӨ和标准生成只有焓GӨf才需 要修正。对于CӨp和HӨf等则不必要
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6)对映异构体修正
若分子中含有手征性碳原子（不对称碳原子），则分子有 对映异构体 .
若分子中含有手征性碳原子，在估算熵值时要增加一个
Rln的修正项。其中R是通用气体常数，=2m，而m是分
表5-4列出了若干以碳原子为中心的键角。可以看出：饱和碳化物 中，不但不同的分子中同一种键角(HCH, CCC, CCCl)基本相等，而且 这些以饱和碳原子为中心，以不同的键构成的键角都近于110。
5.1.2 分子内原子的作用距离
有机化合物分子中直接相连两个原子之间的作用多为共价键，共价 键的键长多数在1至2Å之间 分子内以形成化学键的相邻两原子的相互作用最为强烈 诱导效应 共轭效应 空间效应
表面张力ppt课件
1880 1808
丙酮(液)
23.7
293 Hg(液)
485 293
正辛醇(液／水) 8.5
293 NaCl(固) 227 298
正辛酮(液)
27.5
293 KCl(固)
110 298
正己烷(液／水) 51.1
293 MgO(固) 1200 298
正己烷(液)
18.4
正辛烷(液／水) 50.8
293 CaF2(固) 450 78
精品课件
60
66.18 19.01 21.9 18.6 23.81 23.7
80
62.61 16.2 21.53 21.3
100
58.85 15.7 19.39
33 33
（4）压力的影响。
a．表面分子受力不对称的程度 ↓
P↑
b．气体分子可被表面吸附，改变, ↓
↓
c．气体分子溶于液相
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精品课件
22
例2．水的比表面自由能与摄氏温度t℃ 的关系式为：
γ(× 10-3N·m-1)= 75.64 - 0.14t/℃，若水的表面改变时，总体积 不变，试求10℃、p 下，可逆地使水表面积增加5 cm2，必需做 多少功？从外界吸收多少热？
解：t = 10℃，
( 7 . 6 5 0 . 1 4 1 4 ) 1 0 3 0 7 . 2 4 1 4 3 N 0 m 1
总面积 A s 2 2 .3 1 9 2 0 1 0 .2 1 6 1 0 7 3 .0 1 1 3 m 2 0
as2 A m s23.0 0.0 1 10 30 1 3.0 1 160 m 2/kag s 10.4 8m 32/k
表面能计算原理说明
表面能计算原理说明表面能計算原理說明表面能為固體與氣體間之界面張力的一般定義,如同液體的表面張力為液體與氣體間之界面張力以表示,同樣的固-氣間的界面張力以表示,然而表面能雖然可明確被定義,然而卻無法如液體一樣被直接測量.由楊氏熱力平衡方程式如下:=+:固體表面能, :液體表面張力, :固-液間界面張力, :接觸角上述方程式右邊及可由儀器測量而得,然而尚有兩個未知數,因此無法直接算出表面能,因此表面能並無所謂正確或標準值,只能由一些模型中提供另一組方程式以便求出 ,這些模型皆有假設條件,因此所算出的結果只能算是表面能近似值.目前常用的模型如下:1. Zisman Plot (critical wetting tension)2. Fowkes3. Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK)4. Extended Fowkes5. Wu harmonic mean6. Equation-of-state7. Lewis acid/base theory使用上述方法各別計算,可能得到之結果彼此有高達25%的差異,然而每種方法皆有其適用的表面固體,然而卻無所謂正確或標準值,雖然如此,表面能仍具有原理的基礎性,可如液體表面張力般具備客觀性,同時對於一般所適用的模式,其誤差還是在可接受的範圍內.臨界表面張力- Zisman Plot由楊氏熱力平衡方程式如下:=+其中::接觸角,:固體表面能, :液體表面張力, :固-液間界面張力適用: 表面能< 100 mN/m(低能表面)的固體表面,液滴在表面形成的接觸角主要是液體表面張力的函數,對於給定的固體表面和同系列的相關液體(如烷? 二烷基脂和烷基鹵化物), 與有近似線性關係.對於非極性液體,關係十分相符,然對於高表面張力的極性液體,關係並不十分符合,直線開始彎曲.從對的曲線中,在=1時,可以得到固體的表面張力,稱為潤濕臨界表面張力,它的定義是指液體剛好鋪展到固體表面產生完全潤濕時的表面張力,即時,液體將鋪展,當時,液體將形成液滴,具有非零接觸角.Fowkes方法假定: 液體及固體表面張力可分為色散力和極性作用力,若固液兩相中有一相是非極性,則固液之間只有色散力相互作用,無極性作用力:; 無極性作用力,則 Ip = 0.即或式中和分別表示固體和液體表面張力的色散力部份.根據(1.4), 對作圖得一直線,其斜率為, 從直線斜率可得到固體的值. 對於非極性固體, , 故用Fowkes方法,可得到非極性固體的表面能.對於非極性液體,也有, 根據(1-4)式, 可得出下式:當時,用Zisman方法得到的非極性固體臨界表面張力可表徵其固體的表面能.Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK) Method假定: 分子色散力(disperse)和極性力(polar)為各自獨立作用且合力可加總測試液體數量: n >= 2Extended Fowkes Method假定: 分子色散力(disperse),極性力(polar)及氫鍵力(hydrogen-bond)為各自獨立作用且合力可加總測試液體數量: n >= 3Wu (harmonic mean)方法1. 使用倒數平均法計算不同分子間的作用力2. 不僅考慮色散力,也同時考慮分子間極性作用力的影響.得到下列公式:式中表示表面張力的極性影響力, 和分別表式固體表面能和液體的表面張力,故只要測兩種或兩種以上極性不同的液體在固體表面的接觸角,解聯立方程式,即可得出固體表面能和值.Equation-of-State (Neumann) 假定: 固體,液體表面張力和固液界面張力間存在某種關係,且表面張力及界面張力並非各種作用力之加總結果, [1], [2], Young’s Eq.: In combination with Eq. [2], the following equa tion-of-state was derived :, [3], The value of is determined using the Newton's routine from Eq. [3]., 測試液體數量: n = 1Acid-Base method假定固體表面自由能藉由三大項所組成:非極性項(分散力項)、路義士酸(Lewis acid)項、。
医用物理学课件表面张力黑体
气泡压力法
总结词
气泡压力法是一种测量表面张力的方法，通 过测量气泡在液体表面形成时所受的压力来 计算表面张力。
详细描述
气泡压力法的基本原理是，当气体被缓慢地 注入液体中时，会在液体表面形成气泡。随 着气泡的形成，其所受的压力会逐渐增大。 通过测量气泡形成过程中所受的压力，结合 已知的气体常数和温度，可以计算出液体的 表面张力。这种方法需要使用压力传感器或 压力计来测量气泡所受的压力。
医用物理学课件表面张力
目录
• 表面张力定义 • 表面张力产生原因 • 表面张力与医学应用 • 表面张力测量方法 • 表面张力影响因素 • 表面张力与医学案例分析
01 表面张力定义
表面张力定义
表面张力是指液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的 张力。
在液体表面，由于分子的分布较内部稀疏，使分子间的距离比液体内部大，因此分 子间的相互吸引力小于分子力，从而形成沿液体表面的张力。
表面张力在细胞培养中的应用还包括制备细胞膜和细 胞器。通过控制表面张力，可以制备出具有特定结构 和功能的细胞膜和细胞器，这些膜和器可以作为药物 筛选和毒理学研究的模型，帮助科学家更好地了解药 物对细胞的作用机制。
表面张力在生物材料界面中的应用
生物材料界面是医学领域中另一个重要的研究方向， 表面张力在其中也扮演着重要角色。在生物材料界面 中，表面张力可以影响细胞与材料之间的相互作用， 从而影响材料的生物相容性和植入效果。例如，在制 备人工关节时，通过调节材料表面的表面张力，可以 改善关节与周围组织之间的界面粘附和细胞生长，从 而提高人工关节的稳定性和使用寿命。
表面能与表面张力密切相关，表面张力的变化会导致表面能 的变化，反之亦然。
03 表面张力与医学应用