[科普中國(guó)]-表面功

簡(jiǎn)介

使液體表面積增大的過(guò)程是克服液相分子吸引力, 使體相分子轉(zhuǎn)移到表面相的過(guò)程，需要環(huán)境對(duì)體系做功。以可逆方式做功最少，稱(chēng)之為表面功。

增大液膜面積dAS，需抵抗力F，作非體積功——表面功?？赡鏃l件下，忽略摩擦力，則為可逆表面功。

其中， 。

的意義：使液體增加單位表面積時(shí)，環(huán)境所需作的可逆功→表面功。單位J·m-2。

舉例來(lái)說(shuō)，表面功是由凝聚態(tài)物體的表面積改變所做的功。

例如水滴長(zhǎng)大要對(duì)抗其表面張力σ而做功。要使表面積增加dS，則此時(shí)的表面功為W表面=σdS或W表面=∫σdS。

在熱力學(xué)中常規(guī)定體系對(duì)外界做功，功取負(fù)值，外界對(duì)體系做功，功取正值。1

表面Gibbs函數(shù)恒溫恒壓下：

σ=系統(tǒng)增加單位面積時(shí)所增加的G →(比)表面Gibbs函數(shù)，J·m-2。

表面張力舉例用肥皂液在一個(gè)系有線圈的金屬環(huán)上形成一個(gè)液膜，由于線圈周?chē)际窍嗤囊后w，受力均衡，線圈可以在液膜上自由移動(dòng)位置。

若將線圈內(nèi)液膜刺破，線圈兩邊受力不再平衡，立即繃緊成圓形。

這些現(xiàn)象表明，在液體表面存在一種使液面收縮的力，稱(chēng)表面張力（surface tension）或界面張力（interfacial tension）。

表面張力的方向和表面相切，是垂直作用在表面上單位長(zhǎng)度線段上的表面收縮力。

表面層分子受力 表面層分子與體相內(nèi)分子所處的力場(chǎng)不同。主要受到指向液體內(nèi)部的拉力，使表面層液體分子有向液體內(nèi)遷移、力圖縮小表面積的趨勢(shì)。液滴→球形。若擴(kuò)大表面積，對(duì)系統(tǒng)作功。

物理意義表面張力，單位面積的表面功，單位面積的表面Gibbs函數(shù)，不同物理量有相同的數(shù)值和量綱。

因?yàn)? J =1 N·m→1 J·m-2 =1 N·m-1 其它界面有界面張力。

與吉布斯自由能的關(guān)系由吉布斯自由能性質(zhì)可知，在恒溫恒壓下，此表面功即等于體系吉布斯自由能的變化量的相反數(shù)：

此式表明，考慮表面相貢獻(xiàn)的多相體系，除了溫度、壓力、組成等因素，表面積也是影響體系熱力學(xué)函數(shù)的一個(gè)重要變量。2