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固體表面的物理化學性質(zhì)|熱水泵

更新時間:2011-12-15點擊次數(shù):3182

1.表面(界面)自由能

固體表面層的性質(zhì)與固體內(nèi)部的不一樣。以裸露在空氣中的固體表面為例(圖3-13),固體中分子A處于同類分子的包圍中,周圍分子對它的引力所有方向都是相等的。它處于均勻力場中,作用在其上的合力為零。在表面上的分子B的上方裸露在空氣中,固體分子和空氣分子對它施加的引力不相等,所以,分子B處于不均勻的力場中,它受到一個垂直于固體表面的指向固體內(nèi)部的引力。要把分子A從內(nèi)部移到表面,就必須克服這一引力而對分子A作功。根據(jù)功能定理,(熱水泵)對分子所作的功可轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭菽?。這種屬于表面勢能的總和稱為固體與空氣相接觸時固體表面自由能。單位面積上的表面(界面)自由能稱為比表面能,用表示,單位是J/m=N·m/m2=N/m。表面上的分子在指向內(nèi)部引力的作用下有從表面進入內(nèi)部的趨勢,使表面積盡量縮小,結(jié)果在表面切向產(chǎn)生表面張力。表面張力的單位和比表面能單位相同,為N/m

2.固體表面的濕潤性、物質(zhì)的內(nèi)聚功和吸附功

濕潤現(xiàn)象是一種常見的現(xiàn)象。例如水滴在玻璃上(圖3-14a)形成凸鏡的形狀;水滴在石蠟或石墨表面,水就不能鋪展而形成扁球狀(圖3-14b)。液體在固體表面的濕潤程度用接觸角θ來衡量。它可以用液體與固體界面上的表面張力的平衡方程求得。固體與氣體表面張力為

3-26

3-27

液體和氣體的表面張力θ角的大小而改變,θ越小,液體的濕潤性越好,反之則差。摩擦系數(shù)與潤滑劑與摩擦表面的濕潤性有關(guān)。

固體的摩擦和磨損與物質(zhì)的內(nèi)聚功Wc和粘附功Wab有關(guān)。在不改變截面積的條件下將截面為1cm2固體柱分成兩段時對它所作的功稱為內(nèi)聚功Wc,它表征相同物質(zhì)的吸引程度。,即拉斷后的比表面能增加一倍。假如柱的上段物質(zhì)a和下段物質(zhì)b的接觸部分的界面能為。當柱在a、b界面上斷開,對柱所作的功稱為粘附功Wab。斷開后柱增加表面能。根據(jù)功能定理Wab=+-。實驗證明,界面能約為。若ab兩物質(zhì)能互相溶解或形成金屬間化合物,其界面能較小,約為;若ab兩物質(zhì)不能互相溶解,其界面能較大,約為,所以

a、b為同一物質(zhì) 3-28

a、b相互溶解 3-28a

a、b相互溶解 3-28b

由上可見,Wc>Wab,所以相同物質(zhì)的摩擦系數(shù)要大于不同物質(zhì)的摩擦系數(shù)。

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