第一章 表面张力与表面自由能
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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。
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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。
第1章表面张力与表面自由能
★ 1869年达普里（A.Dapre）研究了润湿和黏附 现象，将黏附功与表面
张力联系起来。
★ 1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力随
温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率的变化的方程 即著名的开尔文方程。
13
1.3 发展历史
★1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度为 零的吉布斯界面模型，他首先应用数学推理的方法指出了在界面区上的 物质浓度一般地不同于各本体相中的浓度，从而使这一新型学科一开始 就建立在稳固的理论基础上。他还导出了联系吸附量和表面张力随体相 浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。
1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成109m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
11
表面表征指标之一：比表面与分散度
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特 的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。如多孔电极由于 其表面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催 化剂由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外，将药 物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细 微粒具有独特的表面效应。
7
1.2表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：气-液表面，气-固表面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。
1.气-液表面
2.气-固表面
3.液-液界面
4.固-固界面
8
1.2 表面和界面(surface and interface)
张力联系起来。
★ 1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力随
温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率的变化的方程 即著名的开尔文方程。
13
1.3 发展历史
★1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度为 零的吉布斯界面模型，他首先应用数学推理的方法指出了在界面区上的 物质浓度一般地不同于各本体相中的浓度，从而使这一新型学科一开始 就建立在稳固的理论基础上。他还导出了联系吸附量和表面张力随体相 浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。
1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成109m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
11
表面表征指标之一：比表面与分散度
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特 的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。如多孔电极由于 其表面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催 化剂由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外，将药 物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细 微粒具有独特的表面效应。
7
1.2表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：气-液表面，气-固表面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。
1.气-液表面
2.气-固表面
3.液-液界面
4.固-固界面
8
1.2 表面和界面(surface and interface)
液体界面性质1表面能与弯曲液面
一张圈起力内浸大侧入小张肥相力皂等消液方失中向，，相外取反侧出，表后所面，以张 上线力清面圈立楚形成即的成任将显一意线示液形圈出膜状绷表。可成面在一张液个力膜圆的上形存移，在。 动；
2020/5/11
1.1表面张力与表面能
表面张力
从力的角度看，表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或 与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面 收缩力，称为表面张力。 [典型事例2]
表面层分子受力分析
以气-液界面为例
•相内分子 所受合力为零
•表面分子 所受合力不为零，且
指向液体内部，称净吸力。 •从力的角度分析
表面分子趋向进入体相内部,致使表面处处有一种紧缩力。 液体表面最基本的特性是倾向于收缩，如常见的水银珠和荷叶 上的水珠那样。
2020/5/11
界面分子与相内分子所处的环境不同
由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、
液相压力差称为弯曲液面的附加压力，以Δp表示，
定义：
Δp def pl- pg
式中， pl和pg分别为弯曲液面的液相一侧和气相一
侧所承受的压力。
•定义 p p液体 p气体
内液体
1.1表面张力与表面能
表面能 Surface Energy
由于净吸力的存在，体相分子要转移到表面，必须克 服净吸力，需要外界提供非体积功 δW’, 因此表面层分子 比体相分子有额外的势能量。
1. 非体积功 δW’称为表面功，是恒温、恒压和组成恒 定时可逆地增加单位表面积需做的可逆非体积功。
2. 根据热力学理论：在T、P及组成恒定时，环境所做 的可逆非体积功，在数值上等于系统吉布斯函数增加值。 所以系统表面扩展时，系统得到的表面功应等于吉布斯函 数增加值。
2020/5/11
1.1表面张力与表面能
表面张力
从力的角度看，表面能可以看作是沿着与表面(球面)相切或 与表面(平面)相平行的方向垂直作用于表面单位长度上的表面 收缩力，称为表面张力。 [典型事例2]
表面层分子受力分析
以气-液界面为例
•相内分子 所受合力为零
•表面分子 所受合力不为零，且
指向液体内部，称净吸力。 •从力的角度分析
表面分子趋向进入体相内部,致使表面处处有一种紧缩力。 液体表面最基本的特性是倾向于收缩，如常见的水银珠和荷叶 上的水珠那样。
2020/5/11
界面分子与相内分子所处的环境不同
由于表面张力的作用，在弯曲液面两侧形成的气、
液相压力差称为弯曲液面的附加压力，以Δp表示，
定义：
Δp def pl- pg
式中， pl和pg分别为弯曲液面的液相一侧和气相一
侧所承受的压力。
•定义 p p液体 p气体
内液体
1.1表面张力与表面能
表面能 Surface Energy
由于净吸力的存在，体相分子要转移到表面，必须克 服净吸力，需要外界提供非体积功 δW’, 因此表面层分子 比体相分子有额外的势能量。
1. 非体积功 δW’称为表面功，是恒温、恒压和组成恒 定时可逆地增加单位表面积需做的可逆非体积功。
2. 根据热力学理论：在T、P及组成恒定时，环境所做 的可逆非体积功，在数值上等于系统吉布斯函数增加值。 所以系统表面扩展时，系统得到的表面功应等于吉布斯函 数增加值。
表面张力和表面自由能
1,2 1 2
这个经验规律称为 Antonoff 规则
表面热力学的基本公式
根据多组分热力学的基本公式
dUT dSpdV B dnB UUS,V,nB B 对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表
面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本 公式为
d U T d S p d V d A s B d n B
液体内部分子所受的力可 以彼此抵销，但表面分子受到 体相分子的拉力大，受到气相 分子的拉力小（因为气相密度 低），所以表面分子受到被拉 入体相的作用力。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
界面现象的本质
由图可知，液体表面层分子
相
相
h
界面特征
两相间的界面并非几何平面，而是具有 一定厚度的界面层－－界面相
体相 α相
界面 相
界面特征：几个分子 厚、结构和性质与两 侧体相均不同
β相 体相
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比所处的环境不同 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力
是对称的，各个方向的力彼此抵销； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相
表面自由能的单位： J m 2
表面张力、表面功及表面吉布斯自由能
①力的角度：单位长度
液面的张力。 N·m-1
②功的角度：增加单位 液面面积时外力所作
的功。 N·m·m-2
③能的角度：增加单位 液面面积时增加的表
面自由能。J·m-2
F L
W dA
(dG dA
) T ,P ,n
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。 由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向于 呈球形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。
这个经验规律称为 Antonoff 规则
表面热力学的基本公式
根据多组分热力学的基本公式
dUT dSpdV B dnB UUS,V,nB B 对需要考虑表面层的系统，由于多了一个表
面相，在体积功之外，还要增加表面功，则基本 公式为
d U T d S p d V d A s B d n B
液体内部分子所受的力可 以彼此抵销，但表面分子受到 体相分子的拉力大，受到气相 分子的拉力小（因为气相密度 低），所以表面分子受到被拉 入体相的作用力。
这种作用力使表面有自动收缩到最小的趋势，并 使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸 附、毛细现象、过饱和状态等。
界面现象的本质
由图可知，液体表面层分子
相
相
h
界面特征
两相间的界面并非几何平面，而是具有 一定厚度的界面层－－界面相
体相 α相
界面 相
界面特征：几个分子 厚、结构和性质与两 侧体相均不同
β相 体相
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比所处的环境不同 体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力
是对称的，各个方向的力彼此抵销； 但是处在界面层的分子，一方面受到体相内相
表面自由能的单位： J m 2
表面张力、表面功及表面吉布斯自由能
①力的角度：单位长度
液面的张力。 N·m-1
②功的角度：增加单位 液面面积时外力所作
的功。 N·m·m-2
③能的角度：增加单位 液面面积时增加的表
面自由能。J·m-2
F L
W dA
(dG dA
) T ,P ,n
液体表面的最基本的特性是趋向于收缩。 由于表面层分子的受力不均衡，液滴趋向于 呈球形，水银珠和荷叶上的水珠也收缩为球形。
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
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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。
石油物性第七讲-表面张力.
Surface 第二节 等张比容（Parachor ） Tension
1923年Macleod发现一定t下，非缔合液体在气—液平衡时，
与气—液两相密度有关，即
式中C是常数，与液体本质有关，在一定范围内为常数。 1924年，Sugder重新处理上式,等式两边同乘以分子量
Sugder称此常数为等张比容（Parachor）以符号[P]表示。即表 示：相等表面张力下，容积之比。
Surface Tension
当T << Tc 时，
[P]为物质的一个固有特性，在一定T范围内与T无关，但密度 和表面张力必须是相同温度下测定的。 当两个液体的表面张力相同时， [P] 之比等于 V 分子体积之比。 由式（5），可得到以下结论：
当在液体的 =1的温度下，其[P]等于该液体的摩尔体积，即 VL = [P]
Surface Tension
压力与表面张力的关系
纯物质：按相律，t一定，P就确定，仅一个变量。 混合物：由于压力P影响了溶解度和吸附性，P增加 m下降。 而物质的Tc愈高， m随P变化下降的幅度愈大。 但P对 m远非如此简单，如n-C5 ～ n-C9 系， 当气体中存在He时，P增加使 m 增加而非 m下降。 所以P对 m影响必须具体物系具体分析。
同C数 ：正烷、烯 < 环烷 < 芳；温度升高，表面张力下降 正构烷烃： C↗ 同温度时的表面张力↗
同C数烃类： 异构<正构
Surface Tension
两相为不同物质时
表2 两相不同物质的表面张力
No. 1 A 水 B 苯 t/℃ 20 A 72.75 B 28.1 AB 35.0
2
3 4
Surface Tension
第一章__液体的界面性质(备)
通常所称的界面是一相到另一相的过度层，约几个分 子厚，所以也称界面或界面相，与界面相邻的两相称为 体相，界面层的性质与相邻两个体相的性质不同，但与 相邻两体相的性质相关。
界面层的分子所处环境与体相内部不
同。体相分子受力对称，合力约等于零， 表面分子受到液体内部分子向下的引力和 气体分子向上的引力，周围分子对它各相 的引力是不同的。液相分子对它的引力较 大，气相分子引力较小，结果使表面分子 受到指向液体内部的拉力，有自动向液体
体表面的收缩力，所以又称为表面张力，单位为N·M-1 （mN·m-1）。 定义表面张力（σ ）：单位长度液体表面的收缩力， 单位N·m-1（或mN·m-1） 表面自由能、表面张力单位不同，数值一样，其原因 是由表面分子受力不均所引起的。 表面张力或表面能的大小决定于相界面分子之间的作 用力，也就是决定于两个体相的性质。它随体相的组成 温度不同而变化。 注意
第一章 液体的界面性质
§1-1 表面能与表面张力
一、表面能与表面张力的含义
物质通常以气、l、s三种聚集状态（也称相态）存在， 当两种聚集状态共存时，就会出现g-l、g-s、l-l、l-s和s-s 等五种相界面。由于人们的眼睛看不到气相，因而将l-g 和g-s两种界面称为表面, l-l、l-s常称为界面。
五、悬滴法
方法相对比较复杂，通过照相确定悬滴直径
gde2 H
de可以测得，H可以查表。
六、滴重法或滴体积法
是一种简单而准确的方法，将液滴在磨平的毛细管口 慢慢形成液滴并滴下，收集并称重或直截读出体积。 mg Vg 2R 2R
m、v —一滴液体的重量或体积； ρ —液体密度； —校正因子，可查表。 R—管口半径；
二、yourg-laplace方程 （作用是给出附加压力与曲率半径的关系）
界面层的分子所处环境与体相内部不
同。体相分子受力对称，合力约等于零， 表面分子受到液体内部分子向下的引力和 气体分子向上的引力，周围分子对它各相 的引力是不同的。液相分子对它的引力较 大，气相分子引力较小，结果使表面分子 受到指向液体内部的拉力，有自动向液体
体表面的收缩力，所以又称为表面张力，单位为N·M-1 （mN·m-1）。 定义表面张力（σ ）：单位长度液体表面的收缩力， 单位N·m-1（或mN·m-1） 表面自由能、表面张力单位不同，数值一样，其原因 是由表面分子受力不均所引起的。 表面张力或表面能的大小决定于相界面分子之间的作 用力，也就是决定于两个体相的性质。它随体相的组成 温度不同而变化。 注意
第一章 液体的界面性质
§1-1 表面能与表面张力
一、表面能与表面张力的含义
物质通常以气、l、s三种聚集状态（也称相态）存在， 当两种聚集状态共存时，就会出现g-l、g-s、l-l、l-s和s-s 等五种相界面。由于人们的眼睛看不到气相，因而将l-g 和g-s两种界面称为表面, l-l、l-s常称为界面。
五、悬滴法
方法相对比较复杂，通过照相确定悬滴直径
gde2 H
de可以测得，H可以查表。
六、滴重法或滴体积法
是一种简单而准确的方法，将液滴在磨平的毛细管口 慢慢形成液滴并滴下，收集并称重或直截读出体积。 mg Vg 2R 2R
m、v —一滴液体的重量或体积； ρ —液体密度； —校正因子，可查表。 R—管口半径；
二、yourg-laplace方程 （作用是给出附加压力与曲率半径的关系）
表面张力和表面自由能
表面自由能则影响物质表面的化学反应、吸附、 02 凝聚等过程。
在一定条件下，表面张力与表面自由能的变化可 03 以相互转化。
表面张力和表面自由能的应用领域
在化学工程领域，表面张力和表面自由能可用于 研究化学反应过程中物质表面的变化。
在材料科学领域，表面张力和表面自由能可用于 研究材料表面的润湿性、吸附性能等。
物质种类对表面张力和表面自由能的影响
总结词
不同物质具有不同的分子结构和性质，因此其表面张力和表 面自由能也存在差异。
详细描述
一般来说，非极性物质的表面张力较小，而极性物质的表面 张力较大。同样，非极性物质的表面自由能较小，而极性物 质的表面自由能较大。此外，物质表面的粗糙度、吸附物质 等也会影响其表面张力和表面自由能。
01 表面张力是表面自由能的一种表现形式，它反映 了液体表面抵抗形变的能力。
02 表面自由能是物质表面所具有的能量，它由表面 张力和微观结构共同决定。
02 表面张力的大小与表面自由能成正比，即表面张 力越大，表面自由能越高。
表面张力与表面自由能在物理现象中的作用
表面张力在液体表面的波动、浸润、吸附等物理 01 现象中起着重要作用。
表面自由能物理意义
表面自由能是物质表面分子间相互作用的重要体现，它决定了物质表面的润湿性 、吸附性、凝聚和分散等性质。
在实际应用中，表面自由能的大小对工业生产、环境保护和生物医学等领域都有 重要影响，例如在材料科学、化学工程、生物医学工程等领域中都有广泛的应用 。
表面张力和表面自由能的关
03
系
表面张力与表面自由能的关系
在化妆品行业中，表面张力对化妆品的质地和持久度有着 重要影响。通过控制表面张力，可以优化化妆品的性能， 提高使用效果和舒适度。
在一定条件下，表面张力与表面自由能的变化可 03 以相互转化。
表面张力和表面自由能的应用领域
在化学工程领域，表面张力和表面自由能可用于 研究化学反应过程中物质表面的变化。
在材料科学领域，表面张力和表面自由能可用于 研究材料表面的润湿性、吸附性能等。
物质种类对表面张力和表面自由能的影响
总结词
不同物质具有不同的分子结构和性质，因此其表面张力和表 面自由能也存在差异。
详细描述
一般来说，非极性物质的表面张力较小，而极性物质的表面 张力较大。同样，非极性物质的表面自由能较小，而极性物 质的表面自由能较大。此外，物质表面的粗糙度、吸附物质 等也会影响其表面张力和表面自由能。
01 表面张力是表面自由能的一种表现形式，它反映 了液体表面抵抗形变的能力。
02 表面自由能是物质表面所具有的能量，它由表面 张力和微观结构共同决定。
02 表面张力的大小与表面自由能成正比，即表面张 力越大，表面自由能越高。
表面张力与表面自由能在物理现象中的作用
表面张力在液体表面的波动、浸润、吸附等物理 01 现象中起着重要作用。
表面自由能物理意义
表面自由能是物质表面分子间相互作用的重要体现，它决定了物质表面的润湿性 、吸附性、凝聚和分散等性质。
在实际应用中，表面自由能的大小对工业生产、环境保护和生物医学等领域都有 重要影响，例如在材料科学、化学工程、生物医学工程等领域中都有广泛的应用 。
表面张力和表面自由能的关
03
系
表面张力与表面自由能的关系
在化妆品行业中，表面张力对化妆品的质地和持久度有着 重要影响。通过控制表面张力，可以优化化妆品的性能， 提高使用效果和舒适度。
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表面表征指标之一：比表面与分散度
可见达到nm级的超细微粒具有巨大的比表面积，因而具有许多独特 的表面效应，成为新材料和多相催化方面的研究热点。如多孔电极由于 其表面积较大，电流密度小，因而极化小；再如，由超细微粒制备的催 化剂由于具有很高的比表面因而催化活性较普通催化剂高；此外，将药 物磨成细粉以提高药效、将金属做成超细微粒以降低熔点都说明了超细 微粒具有独特的表面效应。
1克水，当它的外形是一个立方体时，其表面积6cm2；但如果把它喷洒成为直径为10nm小水点时，它 们表面积的总和将增大到一千二百平方米左右，这相当于三个篮球场的总面积。 12
1.3 发展历史
历史上对表面现象的研究是从力学开始的，早在十九世纪初就形成了表 面张力的概念。 ★1805年， T.Young最早提出表面张力概念。指出：系统中两个相接触 的均匀流体，从力学的观点就像是被一张无限薄的弹性膜分开，界面张 力则存在于这一弹性膜中。他还将表面张力概念推广应用于有固体的体 系，导出了联系气—液、固—液、固—气表面张力与接触角关系的杨氏 方程。 ★1806年，拉普拉斯（place）导出了弯曲液面两边附加压力与表 面张力和曲率半径的关系。可用该公式解释毛细管现象。
边长l/m 1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数 1 103 109 1015 1021
比表面Av/（m2/m3） 6 ×102 6 ×103 6 ×105 6 ×107 6 ×109
从表上可以看出，当将边长为10-2m的立方体分割成109m的小立方体时，比表面增长了一千万倍。
★ 1869年达普里（A.Dapre）研究了润湿和黏附 现象，将黏附功与表面
张力联系起来。
★ 1859年，开尔文（Kelvin）将表面扩展时伴随的热效应与表面张力随
温度的变化联系起来。后来，他又导出蒸汽压随表面曲率的变化的方程 即著名的开尔文方程。
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1.3 发展历史
★1878年，表面热力学的奠基人吉布斯（Gibbs）提出了表面相厚度为 零的吉布斯界面模型，他首先应用数学推理的方法指出了在界面区上 的物质浓度一般地不同于各本体相中的浓度，从而使这一新型学科一 开始就建立在稳固的理论基础上。他还导出了联系吸附量和表面张力 随体相浓度变化的普遍关系式即著名的吉布斯吸附等温式。
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1.3 发展历史
由于电子工业及航天技术的发展，要求部件的尺寸尽量缩小， 这样便增大了表面积与体积之比。事实上，半导体技术及航空 工业的发展一定程度上被材料的表面特性所控制，因此迫切需 要将微观测试手段应用于表面研究上。
新的表面测试技术，如低能电子衍射、俄歇电子能谱、光电子 能谱等不断出现，满足在很小的表面积上进行测试便能得到可 鉴别的讯号，一般1cm2 就足够了； 超高真空设备不断完善，目前真空度可达10-8 ，可制备足够清洁 的表面及复制表面。
体积变化
相态变化
原子、分子间的分离与组合
物理学 光 磁
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1.5 物理化学的回顾
物理现象
化学现象
物理化学
用物理的理论和实验方法 研究化学变化的本质与规律
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1.5 物理化学的回顾
物理化学主要研究
（1）化学变化的方向和限度问题
各种因素如温度、压力和浓度等对化学变化
的影响等。这类问题属于化学热力学的范畴。 （2）化学反应的速率和机理问题 外界条件如温度、压力、浓度和催化剂等对 反应速率的影响。这属于化学动力学的范畴。
表面物理化学
主讲：王中平
Email: wangzpk@
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参考教材
滕新荣主编，表面物理化学，化学工业出版社，2009.9第1版
颜肖慈 罗明道编著，界面化学，化学工业出版社，2005年
周祖康 顾惕人等编著，胶体化学基础， SS号=10310543 ，1987年5月第1版
谈慕华、黄蕴元编著，表面物理化学，建筑工业出版社，85年
关表面的组成、结构和吸附态对表面反应的影响及表 面机理的研究，从而寻找有实用价值的高效催化剂。 2007年，德国科学家Gerhard Ertl因“固-气界面基本 分子的过程的研究”获得诺贝尔化学奖。
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1.4 表面物化的应用
表面现象有着广泛的应用。主要有：
1、吸附 如用活性炭脱除有机物；用硅胶或活性氧化铝脱除水蒸汽；用 分子筛分离氮气和氧气；泡沫浮选等。
Am A / m
或
AV A / V
式中，m和V分别为固体的质量和体积，A为其表面积。目 前常用的测定表面积的方法有BET法和色谱法。
把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。把一定大 小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。
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表面表征指标之一：比表面与分散度
例如，把边长为1cm的立方体1cm3逐渐分割成小立方 体时，比表面增长情况列于下表：
到在表面层中密度实际上是连续变化的。他应用了局部自由能密度的 概念，结合范德华方程，并引入半经验修正，从理论上研究了决定于 分子间力的状态方程参数与表面张力间的关系，范德华的研究可以看 作是用统计力学研究界面现象的前奏。
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1.3 发展历史
★上世纪的五十年代开始，由于各种光谱技术和微观测试技术 的不断出现，使从基本的分子结构来探讨化学过程的机理成为 可能。 表面现象的研究则要求在一个厚度仅几个分子层的准三维区域 内进行，被扫描的横截面积太小，不一定能满足这些测试技术 的要求。当采用红外光谱、核磁共振、x 衍射等进行表面现象研 究时（如表面吸附等），为获得足够数量的可靠讯号，要求对 较大表面积进行测试，一般约在1～102m2。 为了比较各种不同测试技术所得的结果，常常还需要将样品从 一个设备送到另一个设备，因此不可忽视样品的表面清洁度及 复制性，即要求有高真空技术。
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1.2 表面和界面(surface and interface)
在一个非均匀的体系中,至少存在着两个性质不同的相。两相共存必然有 界面。可见，界面是体系不均匀性的结果。 界面是相与相之间的交界所形 成的物理区域 ●界面相是一个准三维区域， 其广度无限，而厚度约为几 个分子的线度 ●体系性质在体相为常数，表 面相是体系性质连续变化的一 个过渡区域 表面：一般指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中一相为气体， 这种界面通常称为表面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间 的界面，但习惯上把液体或固体与空气的界面称为液体或固体的表面。 （S－g、L－g界面）
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1.4 表面物化的应用
★在材料科学中，材料的腐蚀、断裂、磨损、润滑都与表面有关。
★在超细粉末和纳米材料的制备和粉末团聚的研究方面，材料的表面改型 方面，界面现象都有重要的应用。 ★新型材料如水溶性涂料、内墙涂料的研制，离不开材料表面物理化学性 质的研究。 ★微电子学中如半导体工艺控制、微电子器件，原件的表面清洁处理等。 ★在能源科学、化肥、环保方面，催化技术及吸附过程都是表面科学研究 的范畴， （三次采油、煤的液化、化学电源）。 ★生命科学（生物膜及膜模拟化学） 表面化学所研究的是包括从宏观到微观的相界面。无论是在科学研究中或 是在工业应用上，界面现象均有着极其广泛的应用。
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1.2表面和界面(surface and interface)
常见的界面有：气-液表面，气-固表面，液-液界面，液-固界面，固-固界面。
1.气-液表面
2.气-固表面
3.液-液界面
4.固-固界面
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1.2 表面和界面(surface and interface)
目前，常用于处理界面的模型有两种： 一为古根海姆（Guggenheim）模型。其处理界面的出发点是： 界面是一个有一定厚度的过渡区，它在体系中自成一相—
1.5 物理化学的回顾
热力学的基本内容 •热力学共有四个基本定律：第零、第一、第二、 第三定律，都是人类经验的总结。第一、第二定 律是热力学的主要基础。
界面相。界面相是一个既占有体积又有物质的不均匀区域。
该模型能较客观地反映实际情况但数学处理较复杂。
另一个模型是吉布斯（Gibbs）的相界面模型。该模型认为
界面是几何面而非物理面，它没有厚度，不占有体积，对
纯组分也没有物质存在。该模型可使界面热力学的处理简
单化。
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表面表征指标之一： 比表面与分散度
比表面通常用来表示物质分散的程度，有两种常用 的表示方法：一种是单位质量的固体所具有的表面积； 另一种是单位体积固体所具有的表面积。即：
[美]A.W.亚当森，表面的物理化学，SS号=10249101，1984年6月第1版
胡福增主编，材料的表面与界面， 华东理工大学出版社 ，2008年1月第1版
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表面现象
水滴为什么是圆 形而不是方形
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表面现象
它们为什么可以 漂在水面上
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表面现象
ps
水在毛细管中为 什么会上升
水
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第一章
1．1 表面物理化学的研究对象
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1.5 物理化学的回顾
物理化学——研究所有物质系统的化学行为的原 理、规律和方法的学科。 涵盖从宏观到微观与性质的关系、规律、化 学过程机理及其控制的研究。 物理化学是化学以及在分子层次上研究物质
变化的其他学科领域的理论基础。
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1.5 物理化学的回顾
温度变化
压力变化
热
化学反应
电 化学
密 不 可 分
因此被科学家们得心应手地应用于表面科学的领域内。表面科 学进入从微观水平上研究表面现象的阶段，成为了一门独立的 学科。 16
1.3 发展历史
★目前，科学家已经能够在低于微米级的表面上，获
得小于1%原子单层（103原子/cm2）的原子信息，于是
可在优于10-7帕的超高真空下，从分子水平上研究表面
现象。不少科学家致力于催化剂和多相催化过程、有
例题1、将1g水分散成半径为 10-9m的小水滴（视为球形），其表面积增 加了多少倍？ 2/3 1 2 4 2 解：对大水滴 AS 4 r 2 4 cm 4.84 10 cm 4 / 3 对小水滴