界面现象
液体力学中的表面张力与界面现象
液体力学中的表面张力与界面现象液体力学是物理学的一个分支，研究以及描述液体的力学行为。
其中一个重要的概念就是表面张力和界面现象。
本文将深入探讨液体力学中的表面张力和界面现象的原理以及它们在日常生活中的应用。
表面张力是液体分子之间的一种内聚力，它使得液体表面上的分子相互吸引，表现出一种“膜”的特性。
具体来说，液体分子在表面上会受到来自内部分子的吸引力，所以它们会聚集在一起，形成一个能够承受外力的弹性薄层。
这种力量在液体的小滴或者泡沫上表现得尤为明显。
表面张力的大小可以通过测量一个液体的能够在单位长度上支撑多大的重量来确定。
举个例子，如果你将一个铁环轻轻地放在水面上，你会发现水的表面张力足够强大，能够支撑起整个铁环。
这也是为什么某些昆虫能够在水上行走的原因，因为它们的体重并不足以破坏水的表面张力。
界面现象是指当两种不同的液体相遇时所产生的现象。
它涉及到液体之间界面的特性，以及界面上的现象，如表面张力和吸附现象。
当两种液体相互接触时，它们之间会产生相互作用力。
一种常见的界面现象是液体之间的混合和互溶。
一个经典的界面现象就是水和油的不互溶性。
水和油分子之间的互相排斥导致它们在混合时形成界面，形成一个有各种尺寸的水滴悬浮在油的表面上。
这是因为水分子之间的吸引力大于水和油之间的吸引力，所以它们更愿意聚集在一起。
界面现象在很多实际应用中都起到重要的角色。
一个重要的应用是液体和固体之间的界面，如润湿现象。
润湿是指液体在固体表面上的分布情况。
如果液体能够均匀地分布在固体表面上，我们称之为良好的润湿。
如果液体无法均匀地分布在固体表面上，则称之为不良的润湿。
润湿现象在很多领域都有重要的应用，如涂料工业、医疗材料、和光学镀层等。
另一个重要的应用是液体和气体之间的界面，如气泡和泡沫。
气泡和泡沫的形成与表面张力密切相关。
当一个封闭的气体被液体包裹时，液体分子在外部施加的压力会使得气体内部的压力大于外部压力，就会出现气泡。
通过控制表面张力和液体的性质，可以控制气泡的大小和稳定性，这在食品工业和洗涤剂等领域有着广泛的应用。
多相流和界面现象研究
多相流和界面现象研究多相流是指在一个容器中同时存在两种或两种以上的不同相态的流体，并且它们之间发生了相互作用，例如气泡、液滴、泡沫、沉积物等等，这些物质的互动和相互作用在生产和加工等领域内广泛应用。
在多相流的过程中，各种物质之间存在的传质、传热和动量传递过程非常复杂，并且会产生很多界面现象，如液膜震荡、泡沫稳定、液滴振荡、气泡合并等等。
为了更好地研究多相流和界面现象，需要利用先进的科学技术和新的研究手段来进行深入的探究。
多相流和界面现象研究领域的进展近年来，随着新材料、先进研究技术和数据分析方法的出现，多相流和界面现象研究领域取得了很大的发展。
例如，利用微流控技术和纳米技术，可以将两个物质非常精确地控制在非常小的空间内形成微小的液滴和气泡，以获取更精确的研究数据。
同时，利用三维成像技术、计算机模拟方法和高分辨率显微镜等技术，可以实时捕捉多相流和界面现象的瞬间，追踪不同物质之间的运动与变形，进而，深入探究多相流和界面现象的规律和机理。
在能源、环保、食品和医学等领域，研究多相流和界面现象的重要性越来越突出。
例如，在油气开采过程中，要疏通采油管道，需要用混合物清洗井道，这就涉及到了液气混合流和界面现象的研究；在医学领域，人体内的生物组织和血液也是一种多相流，需要通过多相流的研究来发现更好的药物和治疗方法。
多相流和界面现象研究的挑战虽然多相流和界面现象的研究前景非常广阔，但是，实际上还面临着一些挑战。
首先是多相流和界面现象的非线性和非稳定性，这意味着物质之间的相互作用会导致各种不确定性问题，这给研究和应用带来了很大挑战。
其次，多相流中的不同相态物质形成的复杂几何形态，例如气泡包裹和液滴振荡等现象，使得多相流和界面现象的实验和计算非常复杂，难以实现可控和精确的测量和分析。
此外，由于多相流和界面现象涉及大量物理方面的知识，需要开发新的数据处理方法和模型来更好地解决和应用实验数据。
未来展望随着计算、实验技术和数据分析方法的不断发展，多相流和界面现象研究领域的前景非常广阔。
界面现象
第十章 界面现象 Interface Phenomena界面(相界面/界面相)：密切接触的两相之间的过渡区(约几个分子的厚度) 界面的类型：气—液、气—固、液—液、液—固、固—固表面 surface界面现象的原因：“表里不一”分散度：比表面 s A m V s a =表面积质量或体积多孔硅胶 300~700 ，活性炭 1000~2000 m 2 . g –1§10.1 表面吉布斯自由能和表面张力一、表面功、表面吉布斯自由能、表面张力液体都有自动缩小其表面积的趋势 γ dA s = δW ΄r = dG T,P 表面功,,B s T P n G A γ⎛⎫∂= ⎪∂⎝⎭ γ 称为比表面吉布斯自由能，单位：J . m –2 ，物理意义：定温定压定组成条件下，系统增加单位表面积时所增加的吉布斯自由能，也即单位面积表面层的分子比相同数量的内部分子所多出来的那部分能量。
如：20℃的纯水，γ = 0.07275 1g (10 –6 m 3) 球形水滴 半径 1 nm 的小水滴 半径 0.62 cm 1 nm 个数 1 2.39 × 1020 表面积 4.83 × 10 – 4 m 2 3.01 × 103 m 2 ΔG = γ ΔA s = 219 J (相当于使这1g 水升温52.4 K)系统比表面越大，能量越高，越不稳定。
粉尘爆炸极限：淀粉/硫磺7mg/L 空气，面粉/糖粉10，煤粉17。
δW΄r = γ dA s = γ .2l d x F δW ΄r = F d x 2F l γ==力总长γ 称为表面张力 surface tension ，单位：N . m –1 ，物理意义：垂直作用于单位长度相界面上的表面紧缩张力。
任意形状自由移动 张开成圆(面积最大) 单位面积的表面功、比表面吉布斯自由能、表面张力：数值、量纲相同，物理意义、单位不同。
二、热力学基本方程(考虑表面功)dU = T dS – p dV + ∑ μB d n B + γ d A sdH = T dS + V dp + ∑ μB d n B + γ d A sdA = – S dT – p dV + ∑ μB d n B + γ d A sdG = – S dT + V dp + ∑ μB d n B + γ d A s,,,,,,,,B B B B s s s s S V n S p n T V n T p n U H A G A A A A γ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫∂∂∂∂==== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭三、表面张力的影响因素相互接触的两相物质的性质、温度、压力等。
表面活性剂影响界面现象分析
表面活性剂影响界面现象分析简介：表面活性剂是一类能够降低液体表面或界面张力的物质，广泛应用于日常生活和工业生产中。
在界面现象研究中，表面活性剂起到了重要的作用。
本文将探讨表面活性剂对界面现象的影响，并分析其原理和应用。
第一部分：表面活性剂的基本原理表面活性剂分为两种类型：阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂。
阳离子表面活性剂的分子在水溶液中具有正电荷，而阴离子表面活性剂的分子则带有负电荷。
这些表面活性剂分子可以在水中形成表面积大、有机物极性尾部和无机物极性头部的胶束结构。
第二部分：表面活性剂对界面现象的影响1. 降低表面张力：表面活性剂的作用之一是降低液体表面的张力。
当表面活性剂添加到液体中时，它们的分子聚集在液体表面，并形成一个分子薄膜，这个薄膜能够减少液体分子之间的吸引力，从而降低液体的表面张力。
2. 形成胶束结构：表面活性剂在溶液中能够形成胶束结构。
胶束是由表面活性剂分子聚集起来形成的微小粒子，其疏水性尾部聚集在胶束内部，而亲水性头部则暴露在胶束表面。
这种结构可以使胶束悬浮在溶液中，并且可以包裹住一些非极性或难溶于水的物质，以提高它们在水中的溶解度。
3. 影响界面张力：表面活性剂的存在可以改变液液界面或气液界面的张力。
在界面现象研究中，表面活性剂通过改变界面张力的大小和性质，影响了界面上的物理和化学过程。
例如，当表面活性剂存在于液液界面上时，它们可以减弱界面的张力，从而促进两相之间的质量传递和反应。
第三部分：表面活性剂的应用1. 清洁剂和洗涤剂：表面活性剂广泛应用于清洁剂和洗涤剂中。
它们能够降低液体的表面张力，使水更容易渗透到污渍中，提高清洁效果。
此外，表面活性剂还有助于分散和悬浮污渍颗粒，并起到乳化和去除油污的作用。
2. 乳化剂和分散剂：由于表面活性剂能够形成胶束结构，因此它们被广泛应用于乳液、乳胶和分散体系中。
表面活性剂可以稳定液滴或固体颗粒在液相中的分散状态，使它们不易聚集或沉降。
3. 药物传递系统：表面活性剂在药物传递系统中起到重要的作用。
高等水化学界面现象要点
N—具有吸附能力的总的晶格位置数
k2 p bp
k1 k2 p 1 bp
Va Vma
b k 2 （吸附系数） k1
Va
Vma
bp 1 bp
1
2
1
Va
Vma
bp 1 bp
低压
高压
V
a m
bp 1 bp 1 V a
1 bp 1 1 bp bp
V a Vma bp V a Vma
103
6 ×103
1×10-5
109
6 ×105
1×10-7
1015
6 ×107
1×10-9
1021
6 ×109
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。
§1.1 界面张力 Interface Tension
1、液体的表面功及表面Gibbs函数
• 例：恒温239.55K条件下，不同平衡压力下 的CO气体在活性炭表面上的吸附量如下：
p/kPa
V*10-3 /(m3/kg)
13.466 25.065 8.54 13.1
42.663 18.2
57.329 21.0
71.994 23.8
89.326 26.3
根据Langmuir吸附等温式，用图解法求CO 的饱和吸附量、吸附系数。
（3）吸附树脂（树脂吸附剂）
• 吸附树脂是一种不含离子交换基团的高交联度高分子珠粒 子，其内部具有许多分子水平的孔道，提供扩散通道和吸 附场所，具有吸附作用。
• 特点：（1）容易再生，可反复使用；（2）吸附树脂的化 学结构和物理结构较容易人为控制，可根据不同需要合成 结构和性能不同的树脂，因此应用范围广。
界面现象
三、表面热力学
对于做表面功的系统，不但要考虑温度、压力的变化，而应 增加一个表面积As变量，才能确定系统的吉布斯函数，即：
G f (T , P, As, n1, n2, nk )
dG
G T
P , As , n
dT
G P
T ,As,n
dP
G As
P,T , n
B
dAs
G nB
P,T , n
（3）σ和As均可能变化 ，即系统通过σ↓和As↓来使G↓。
由以上分析可知：物质分散过程不会自动进行，需外界对系统 做功。 可求出分散过程所消耗的最小功。
G As
S 分散过程的熵变和焓变：
H
(
G T
)
P
As(
T
)P
G TS As[ T (
T
)P
]
由于
( T
)P
一般为负值，故分散过程中,
ΔH
增加的表面能（表面吉布斯函数），又称此为比表面能，比
表面自由焓。
也即表面分子和体相分子的宏观差异，两者吉布斯函数差， 物质表面层特性即由过剩能量引起。
例题：25℃时1g水若形成一小球，表面能为多少？若 把它分成半径为10-7cm的微粒，问表面能为多少？已知 25℃时水的比表面能σ=0.07197J·m-2。
界面现象
表面和界面(surface and interface)
界面是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。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
界面现象PPT课件
c．气体分子溶于液相 ↓
一般：p↑10atm, ↓1mN/m，例:
1atm 10atm
H2O = 72.8 mN/m H2O = 71.8 mN/m
13
§10.2 弯曲液面的附加压力及其后果 1. 弯曲液面的附加压力——Laplace方程
pg
一般情况下，液体表面是水
pl
平的，水平液面下液体所受压力
即为外界压力。
Δp = p内－p外
弯曲液面的附加压力
14
球形液滴(凸液面)，附加压力为： p p 内 p 外 p l p g
液体中的气泡(凹液面)，附加压力:
p p 内 p 外 p g p l
这样定义的p总是一个正值，方向指向凹面曲 率半径中心。
15
弯曲液面附加压力Δp 与液面曲率半径之间关系的推导：
当系统作表面功时，G 还是面积A的函数，若系 统内只有一个相界面，且两相T、p相同 ，
G f( T ,p ,A s,n B ,n C )
d G S d T V d p B ( ) d n B ( ) d A s B
G U H A
A s T , p , n B ( ) A s S , V , n B ( ) A s S , p , n B ( ) A s T , V , n B ( )
：引起表面收缩的单位长度上的力，单位：N·m-1。
7
（2）表面功
当用外力F 使皂膜面积增 大dA时，需克服表面张 力作可逆表面功。
W F d x 2 ld x d A
即：
W r dAs
：使系统增加单位表面所需的可逆功 ，称为表面功。
单位：J·m-2。 （IUPAC以此来定义表面张力）
8
分为1018个
界面现象与双电层结构全解
有机分子的吸附规律
电极/溶液界面上的吸附与在一般表面上的吸附都 服从某些共同规律
电极/溶液界面具有可在一定范围内连续变化的电 场而又存在某些特殊规律
有机表面活性分子在电极表面的吸附行为，除了 与其本身的化学性质和浓度有关外，电极表面电 荷密度和电极表面的化学性质也能影响其吸附行 为
同一有机表面活性分子在不同的电极表面上以及 在不同电势下的吸附行为也可以极不相同
某些粒子在界面上发生吸附时其吸附量、界面张 力和化学势三者具有如下关系：
d i di
李普曼（Lippman）公式的推导
当电极表面上的剩余电荷密度为q时，电子的表面
吸附量为θe＝－q／F，而电子向界面移动的化学
势变化为dμe＝－Fdφ, 电子的吸附量与化学势
的乘积为：
i di
q F
( Fd )
若推算的界面参数与实验测得的界面参数吻合， 则假设的界面双电层结构模型反映了界面的真实 结构
电毛细曲线方法和微分电容方法
理想极化电极与理想非极化电极 电毛细曲线方法 微分电容法 电毛细曲线法与微分电容法的比较
外电路流向电极/溶液界面电荷的作用
对于任何电化学体系，通过外电路流向电极／溶 液界面的电荷可能参加两种不同的过程
双电层结构理论的发展
博克里斯（Bockris）的新双电层模型认为双电层 结构必须考虑到双电层内存在着离子的特性吸附 和水分子的定向排列
紧靠电极表面的第一层水分子全部都定向排列， 这层水的相对介电常数ε降至6～7（称之为介电饱 和）
第二层水分子是部分定向排列，其中有些水分子 是离子的初级水化水，它的相对介电常数ε为30～ 40，少于正常水的ε＝78.5
由外电源提供的电荷电量全部用于电化学反应而 电极电势不变的电极体系称之为“理想非极化电 极”
界面现象
1.在平面上 弯曲表面下的附加压力 2.在凸面上
3.在凹面上
Young-Laplace公式
Klvin公式
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2020/2/15
弯曲表面下的附加压力
1.在平面上 研究以AB为直径的一个环作
为边界，由于环上每点的两边都 存在表面张力，大小相等，方向 相反，所以没有附加压力。
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：
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。
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界面是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。
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
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2020/2/15
分散度与比表面
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。
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：
边长l/m
1×10-2 1×10-3 1×10-5 1×10-7 1×10-9
立方体数
G ( A ) p,T ,nB
保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面
积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由
物理化学中的表面性质与界面现象
物理化学中的表面性质与界面现象在物理化学领域中，表面性质与界面现象是一项重要的研究内容，它涉及到物质的各种表面现象及其在界面上的行为。
表面性质与界面现象的研究对于理解和掌握物质的特性及其应用具有重要意义。
本文将介绍表面性质与界面现象的相关概念、表面张力、胶体稳定性和浸润现象等方面内容。
一、表面性质的概念与研究方法表面性质是指物质在固液、液气等相接触的界面上表现出的特性和行为。
它与物质内部性质的差异密切相关，表面性质的研究对于理解物质的特性和改性以及应用具有重要意义。
研究表面性质的方法主要有表面张力测量、接触角测量、X射线光电子能谱（XPS）等。
二、表面张力的概念与测量表面张力是指液体分子表面层与内部层之间由于分子间相互作用力引起的表面收缩现象。
表面张力决定了液体的形状和质点受力，表现为液滴的定型和液体的流动性质。
表面张力的测量方法主要有浸渍法、半球法和沉降法等。
三、胶体稳定性的研究胶体是由微细颗粒悬浮于连续介质中所形成的系统。
胶体稳定性是指胶体系统中颗粒与连续介质之间的相互作用所表现出的稳定性。
胶体稳定性的研究是物理化学中一个重要的研究领域，涉及到胶体的形成、稳定机制以及其在生物、医药领域的应用等。
常见的胶体稳定机制包括电双层排斥、溶剂化和吸附等。
四、浸润现象的原理与应用浸润是指固体表面与液体接触时，在界面处发生的物理化学现象。
它与表面能、接触角以及界面张力等相关。
浸润现象在材料加工、润湿性研究以及生物医用材料等领域有着广泛的应用，对于材料表面特性及其性能改善具有重要意义。
总结：物理化学中的表面性质与界面现象是一门重要的学科，涉及到物质在界面上的各种行为和特性。
研究表面性质与界面现象对于理解物质的性质、设计新材料以及改善现有材料的性能具有重要意义。
本文简要介绍了表面性质与界面现象的相关概念，包括表面张力、胶体稳定性和浸润现象等方面的内容。
深入研究和应用表面性质与界面现象将会对未来的科学发展和技术创新产生深远的影响。
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界面现象
1 绝大多数液体物质的表面张力g-l都是随着温度T的升高而逐渐地（B ）
A 变大 B 变小
C 趋于极大值 D 不确定
2 对大多数液体其表面张力随温度的变化率dT是 ( B )
A dT＞0 B dT＜0 C dT＝0 D 无一定变化规律
3. 若天空中的小水滴要起变化，则下列说法正确的是（ B ）
A 一定是其中的大水滴进行蒸发，水蒸气凝结在小水滴，使大小不等的水滴
趋于相等。
B 一定是其中的小水滴进行蒸发，水蒸气凝结在大水滴，直至小水滴完全蒸
发。
C 不一定。
4. 附加压力产生的原因是（ C ）
A 由于存在表面 B由于表面上存在表面张力
C 由于表面张力的存在，使弯曲表面两边压力不同
D 难于确定
5. 今有一球形肥皂泡，半径为 肥皂水溶液的表面张力则肥皂泡内的附加压力为
（ C ）
A rp2 B rp2 C rp4 D 不确定
6. 在一个封闭的钟罩内，有大小不等的两个球形液滴，长时间恒温放置后，大
液滴（变大）；小液滴（消失）。
7. 设管中液体对毛细管壁润湿，当加热管中水柱
的右端时，则水柱将向（ 向左 ）移动。若装有
对毛细管部分不润湿性液体，则液体会向（ 向
右 ）方向移动。
8. 固体对气体等温吸附的兰格缪尔理论其最重要的基本假设为（C ）
A 气体是处在低压下 B 固体表面的不均匀性
C 吸附是单分子层的 D 吸附是多分子层的
9 若在固体表面上发生某气体的单分子层吸附，则随着气体压力的不断增大，
吸附量是 （ D ）
A 成比例的增加 B 成倍的增加 C 恒定不变 D 逐渐趋向饱和
10 憎液固体，其表面不能为液体所润湿，其相应的接触角是 （ B ）
A = 0o B >90o C <9 0o D 可为任意角
11.对于有过量KI存在的AgI溶胶，电解质的聚沉能力最强 （ C ）
A K3[Fe(CN)6] B MgSO4 C FeCl3 D NaCl
12
.在相同的温度及压力下，把一定体积的水分散成许多小水滴，经这
一变化过程，以下性质保持不变的是( D )
A 总表面能B 比表面积 C 液面下的附加压力 D 表面张力
13
对于物理吸附的描述中，不正确的是（D）
A吸附力来源于范德华力，其吸附一般不具有选择性
B 吸附层可在是单分子层或多分子层
C 吸附热较小
D 吸附速率较小
14 在三通活塞两端涂上肥皂液，关闭右端，在左端吹一大泡，关闭左端，在右
端吹一小泡，然后使左右两端相通，将会出现什么现象（小泡变小，大泡变大）。
15. 当表面活性物质加入到溶剂中，所产生的结果是 （A）
A dcd < 0 正吸附 B dcd > 0 负吸附
C dcd > 0 正吸附 D dcd < 0 负吸附
16. 加入表面活性物质，使液体表面张力（ B ）
A、增加 B、降低 C、不变 D、不一定
判断：
1. 物理吸附和化学吸附最本质的区别是物理吸附只能形成多分子层吸附，而化学吸附则形
成单分子层吸附。（错）
2.兰格缪尔吸附公式只适用于化学吸附。（ 错）
3.物质的比表面自由能就是单位表面积的表面层分子所具有的自由能。（错）
4.在相同温度下，纯汞在玻璃管中呈凸液面，所以与之平衡的饱和蒸气压必大于其平面的蒸
气压（对）