固體表面的物理化學(xué)性質(zhì)|熱水泵

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(duì)它的引力所有方向都是相等的。它處于均勻力場(chǎng)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(duì)它施加的引力不相等，所以，分子B處于不均勻的力場(chǎng)中，它受到一個(gè)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(duì)分子A作功。根據(jù)功能定理，（熱水泵）對(duì)分子所作的功可轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭?shì)能。這種屬于表面勢(shì)能的總和稱為固體與空氣相接觸時(shí)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(jìn)入內(nèi)部的趨勢(shì)，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）

則 （3-27）

液體和氣體的表面張力隨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(shí)對(duì)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(dāng)柱在a、b界面上斷開，對(duì)柱所作的功稱為粘附功Wab。斷開后柱增加表面能和。根據(jù)功能定理Wab=+-。實(shí)驗(yàn)證明，界面能約為。若a、b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a、b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)。