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材料表界面复习资料

第 1 章 绪论

物理表面:三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域, 这个过渡区的厚度随材料的种类不同而异, 可以是一个原子层或多个原子层。是不同于两相的第三相。

理想表面:是指除了假设确定的一套边界条件外, 系统不发生任何变化的表面。

清洁表面:指不存在任何污染的化学纯表面, 即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。

谓弛豫:表面附近的点阵常数发生明显的变化。

重构:表面原子重新排列, 形成不同于体内的晶面。

台阶化:指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。

吸附:指气相中的原子或分子在气固或液固界面上的聚集。

偏析:指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。吸附和偏析是化学组分在表面区的变化。 吸附表面:吸附有外来原子的表面。

第2章液体表面

系统的能量越低越稳定, 故液体表面具有自动收缩的能力。

表面张力:是单位长度上的作用力, 单位是N/ m。它是反抗表面扩大的一种收缩力, 它的作用是使一定体积的系统具有最小的表面积。

也可以理解为系统增加单位面积时所需作的可逆功, 单位为J/ m2 , 是功的单位或能的单位, 所以σ也可以理解为表面自由能, 简称表面能。

单组分液体的表面张力等于比表面自由能。

附加压力的方向总是指向曲率中心一边, 且与曲率大小有关,

Laplace 方程:

球面:Δp = 2 / r 任意曲面:Δp = ( 1/ r1 + 1/ r2 ) 当曲率半径r1 = r2= r, 曲面成为一个球面, 对于平液面,两个曲率半径都为无限大,Δp = 0,表示跨过平液面不存在压差。

液体表面张力的测定:

1 毛细管法

当毛细管浸在液体中, 若液体能完全浸润管壁, 则会发生毛细上升现象, 液面呈凹月形。反之, 若液体完全不浸润管壁, 则液面下降呈凸液面。

毛细升高现象可用Laplace 方程处理。假定毛细管截面是圆周形, 且管径不太大, 并假定凹月面可近似看作半球形, 此时不仅两个曲率半径相等, 而且都等于毛细管半径r。

由Laplace 公式可得Δp = 2σ/ r 则压差Δp应等于毛细管内液柱的静压强Δρgh,即Δρgh = 2σ/ r (1) Δρ为液气两相密度差, g为重力加速度。

也可以改写成:a2 = 2σ/ Δρg = rh (2) a为毛细常数, 它是液体的特性常数。

当液体完全不浸润管壁时, 式(2 -21)仍适用, 毛细上升改为毛细下降, h 表示下降深度。

更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角θ介于0°~180°之间, 若弯月面仍为球面, 则有:Δρgh =2σcosθ/r(3)

由式(1)或式(3) , 从毛细升高或下降的高度h , 即可求出液体的表面张力。

2 最大气泡压力法

将一根毛细管插入待测液体中,缓缓通入惰性气体,使其在管端形成气泡逸出,当毛细管很细时,可假设气泡在生成过程中始终是球体的一部分。但气泡在发展过程中半径由大变小,当气泡形状恰为半球时,气泡的半径最小,正好等于毛细管半径,Δp也相应达到最大值。实验过程中用连接在毛细管上的U形压力计测出最大气泡压力,则Δpmax =Δρgh = 2σ/ r,若测试中,毛细管下端在液面下的深度为t,则Δpmax =Δρgh - pt。

3 滴重法

是一种既精确又方便的方法。它既可测定气液表面张力, 又可测液液界面张力。

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