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物理化学电子教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、上一内容下一内容回主目录 物理化学电子教案第十章/10/10第1页上一内容下一内容回主目录水蚂蚱为何能浮在水面?水蚂蚱为何能浮在水面?水蚂蚱为何能浮在水面?水蚂蚱为何能浮在水面?界面张力界面张力界面张力界面张力/10/10第2页上一内容下一内容回主目录第十章 界面现象10.1 界面张力界面张力10.2 弯曲表面下附加压力及其后果弯曲表面下附加压力及其后果10.3 固体表面固体表面10.5 溶液表面溶液表面10.4 液液-固界面现象固界面现象/10/10第3页上一内容下一内容回主目录表面和界面表面和界面(surface and interface)界面界面界面界面是指两相接触约几个分子厚度过渡区
2、,若是指两相接触约几个分子厚度过渡区,若其中一相为气体,这种界面通常称为其中一相为气体,这种界面通常称为表面表面表面表面。严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间严格讲表面应是液体和固体与其饱和蒸气之间界面,但习惯上把液体或固体与空气界面称为液体界面,但习惯上把液体或固体与空气界面称为液体或固体表面。或固体表面。常见界面有:气常见界面有:气-液界面,气液界面,气-固界面,液固界面,液-液液界面,液界面,液-固界面,固固界面,固-固界面。固界面。/10/10第4页上一内容下一内容回主目录气气气气-液液液液界面界面/10/10第5页上一内容下一内容回主目录气气气气-固固固固界面界面/10/10第6
3、页上一内容下一内容回主目录液液液液-液液液液界面界面/10/10第7页上一内容下一内容回主目录液液液液-固固固固界面界面/10/10第8页上一内容下一内容回主目录固固固固-固固固固界面界面/10/10第9页上一内容下一内容回主目录比表面积比表面积比表面积比表面积物质表面积与其质量之比。物质表面积与其质量之比。单位质量物质,分散度越高,粒度越小,比表面积单位质量物质,分散度越高,粒度越小,比表面积越大,越大,表面效应越显著表面效应越显著表面效应越显著表面效应越显著。纳米不是大米纳米不是大米纳米不是大米纳米不是大米,纳米科学不是全民运动,纳米科学不是全民运动!/10/10第10页上一内容下一内容回
4、主目录10.1 界面张力界面张力 表面层分子与内部分子相比,它们所处表面层分子与内部分子相比,它们所处环境不一样环境不一样环境不一样环境不一样。体相内部体相内部体相内部体相内部分子所受四面邻近相同分子作用力是分子所受四面邻近相同分子作用力是对称对称对称对称,各个方,各个方向力向力彼此抵消彼此抵消彼此抵消彼此抵消;但是处在界面层分子,一方面受到体相内相同物质分子作用,其次受到性质不一样另一相中物质分子作用,其作用力未必能相互抵消,所以,界面层会显示出一些独特性质。对于单组分系统,这种特征主要来自于同一物质在不一对于单组分系统,这种特征主要来自于同一物质在不一样相中样相中密度不一样密度不一样密度不
5、一样密度不一样;对于多组分系统,则特征来自于界面层;对于多组分系统,则特征来自于界面层组成与任一相组成均不相同。组成与任一相组成均不相同。/10/10第11页上一内容下一内容回主目录最简单例子是液体及其蒸气组成表面。最简单例子是液体及其蒸气组成表面。1.液体表面张力、表面功及表面吉布斯函数液体表面张力、表面功及表面吉布斯函数/10/10第12页上一内容下一内容回主目录 液体内部分子所受力能够彼此抵消,但表面分子受到体相液体内部分子所受力能够彼此抵消,但表面分子受到体相分子拉力大,受到气相分子拉力小分子拉力大,受到气相分子拉力小(因为气相密度低因为气相密度低),所以表所以表所以表所以表面分子受到
6、被拉入体相作用力。面分子受到被拉入体相作用力。面分子受到被拉入体相作用力。面分子受到被拉入体相作用力。这种作用力这种作用力使表面有自动收缩使表面有自动收缩使表面有自动收缩使表面有自动收缩到最小趋势到最小趋势到最小趋势到最小趋势,并使表面层显示出一,并使表面层显示出一些独特征质,些独特征质,如表面张力、表面吸如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。附、毛细现象、过饱和状态等。/10/10第13页上一内容下一内容回主目录 在两相在两相(尤其是气尤其是气-液液)界面上,处处存在着一个界面上,处处存在着一个张力,它张力,它垂直于垂直于垂直于垂直于表面边界,指向液体内部并与表面表面边界,指向液体内
7、部并与表面表面边界,指向液体内部并与表面表面边界,指向液体内部并与表面相切相切相切相切。把作用于单位边界限上这种力称为把作用于单位边界限上这种力称为表面张力表面张力表面张力表面张力,用,用 表示表示,单位是单位是NmNm-1-1。表面张力:引发液体表面收缩表面张力:引发液体表面收缩单位长度单位长度单位长度单位长度力力真懂了么?真懂了么?真懂了么?真懂了么?/10/10第14页上一内容下一内容回主目录表面张力微观解释表面张力微观解释表面表面内部内部表面张力表面张力使液体表面收缩使液体表面收缩到最小趋势到最小趋势弯曲液面弯曲液面弯曲液面弯曲液面表面张力表面张力垂直于表面边界,指向液垂直于表面边界,
8、指向液垂直于表面边界,指向液垂直于表面边界,指向液体内部并与表面相切体内部并与表面相切体内部并与表面相切体内部并与表面相切相互性相互性相互性相互性/10/10第15页上一内容下一内容回主目录表面张力推导表面张力推导表面张力推导表面张力推导 将一含有一个活动边框金属线框架放将一含有一个活动边框金属线框架放在肥皂液中,然后取出悬挂,活动边在下在肥皂液中,然后取出悬挂,活动边在下面。因为金属框上肥皂膜表面张力作用,面。因为金属框上肥皂膜表面张力作用,可滑动边会被向上拉,直至顶部。可滑动边会被向上拉,直至顶部。假如在活动边框上挂一重物,使重物假如在活动边框上挂一重物,使重物质量质量W2与边框质量与边框
9、质量W1所产生所产生重力重力重力重力F F(F=(W1+W2)g)与总与总表面张力大小相等方向相表面张力大小相等方向相表面张力大小相等方向相表面张力大小相等方向相反反反反,则金属丝不再滑动。,则金属丝不再滑动。/10/10第16页上一内容下一内容回主目录平衡时,有平衡时,有表面张力表面张力 l是滑动边长度,因膜有两个面,是滑动边长度,因膜有两个面,所以边界总长度为所以边界总长度为2l,就是作用就是作用于单位边界上表面张力。于单位边界上表面张力。/10/10第17页上一内容下一内容回主目录dx :表面功。恒温,恒压,组:表面功。恒温,恒压,组成恒定时系统增加单位表面所成恒定时系统增加单位表面所需
10、可逆功。单位:需可逆功。单位:Jm-2/10/10第18页上一内容下一内容回主目录恒温恒温恒压恒压过程过程吉布斯函数变等于过程吉布斯函数变等于过程可逆非体积功可逆非体积功可逆非体积功可逆非体积功:表面吉布斯函数。系统增加单位表面所增加吉布斯函数。单:表面吉布斯函数。系统增加单位表面所增加吉布斯函数。单位:位:Jm-2:表面张力,表面功,表面吉布斯函数:表面张力,表面功,表面吉布斯函数含有相同量值和量纲不一样三个物理量含有相同量值和量纲不一样三个物理量补充说明补充说明补充说明补充说明:表面:表面:气气-液液 气气-固固界面:界面:液液-液液 液液-固固固固-固固/10/10第19页上一内容下一内
11、容回主目录 假如在金属线框中间系一线圈,一起浸假如在金属线框中间系一线圈,一起浸入肥皂液中,然后取出,上面形成一液膜。入肥皂液中,然后取出,上面形成一液膜。因为以线圈为边界两边表面张力大小相因为以线圈为边界两边表面张力大小相等方向相反,所以线圈成任意形状可在液膜等方向相反,所以线圈成任意形状可在液膜上移动,见上移动,见(a)图。图。假如刺破线圈中央液膜,线圈内侧张力假如刺破线圈中央液膜,线圈内侧张力消失,外侧表面张力马上将线圈绷成一个消失,外侧表面张力马上将线圈绷成一个圆形,见圆形,见(b)图,图,清楚显示出表面张力存在。清楚显示出表面张力存在。(a)(b)/10/10第20页上一内容下一内容
12、回主目录(a)(b)/10/10第21页上一内容下一内容回主目录3.界面张力及其影响原因界面张力及其影响原因界面张力主要影响原因:界面张力主要影响原因:分子间相互作用力分子间相互作用力温度温度压力压力(1)分子间相互作用力影响分子间相互作用力影响 对纯液体或纯固体,表面张力决定于分子间形成对纯液体或纯固体,表面张力决定于分子间形成化学键能大小,化学键能大小,普通普通化学键越强,表面张力越大化学键越强,表面张力越大化学键越强,表面张力越大化学键越强,表面张力越大。两种液体间界面张力,介于两种液体表面张力之间。两种液体间界面张力,介于两种液体表面张力之间。/10/10第22页上一内容下一内容回主目
13、录(2)温度影响温度影响 温度升高,界面张力下降。温度升高,界面张力下降。纯液体经验公式纯液体经验公式临界温度时,界面张力为零!临界温度时,界面张力为零!临界温度时,界面张力为零!临界温度时,界面张力为零!(3)压力影响压力影响表面张力普通表面张力普通随压力增加而下降随压力增加而下降随压力增加而下降随压力增加而下降。/10/10第23页上一内容下一内容回主目录10.2 弯曲液面附加压力及其后果弯曲液面附加压力及其后果剖面图剖面图液面正面图液面正面图平面液面平面液面平面液面平面液面附加压力附加压力 研究以研究以AB为直径一个环作为边为直径一个环作为边界,因为环上每点两边都存在表面界,因为环上每点
14、两边都存在表面张力,张力,大小相等大小相等大小相等大小相等,方向相反方向相反方向相反方向相反,所以,所以没有附加压力。没有附加压力。设向下大气压力为设向下大气压力为po,向上反作用向上反作用力也为力也为po,附加压力,附加压力 p等于零。等于零。p=po-po=0/10/10第24页上一内容下一内容回主目录弯曲液面弯曲液面弯曲液面弯曲液面附加压力附加压力(1)在凸面上在凸面上 研究以研究以AB为弦长一个球为弦长一个球面上环作为边界。因为环上面上环作为边界。因为环上每点两边表面张力都与液面相切,大小相等,但每点两边表面张力都与液面相切,大小相等,但不在不在不在不在同一平面上同一平面上同一平面上同
15、一平面上,所以会产生一个,所以会产生一个向下协力向下协力向下协力向下协力。全部点产生总压力为全部点产生总压力为 p p,称为,称为附加压力附加压力附加压力附加压力。/10/10第25页上一内容下一内容回主目录(2)在凹面上:在凹面上:研究以研究以AB为弦长一个为弦长一个球形凹面上环作为边界。球形凹面上环作为边界。因为环上每点两边表面张因为环上每点两边表面张力都与凹形液面相切,大小相等,但不在同一平面力都与凹形液面相切,大小相等,但不在同一平面上,所以会产生一个向上协力。上,所以会产生一个向上协力。全部点产生总压力为全部点产生总压力为 p p,称为,称为附加压力附加压力附加压力附加压力。/10/
16、10第26页上一内容下一内容回主目录弯曲液面弯曲液面弯曲液面弯曲液面附加压力附加压力液面为凸面液面为凸面液面为凹面液面为凹面 p p大小和方向?大小和方向?大小和方向?大小和方向?/10/10第27页上一内容下一内容回主目录A、B两点处表面张力水平分力协力为两点处表面张力水平分力协力为0A点处表面张力垂直分力为点处表面张力垂直分力为垂直分力在圆周上协力垂直分力在圆周上协力球缺底面积球缺底面积附加压力附加压力/10/10第28页上一内容下一内容回主目录拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程拉普拉斯方程表明:弯曲液面附加压力与液体表面张拉普拉斯方程表明:弯曲液面附加压力与液体表面张拉普拉
17、斯方程表明:弯曲液面附加压力与液体表面张拉普拉斯方程表明:弯曲液面附加压力与液体表面张力成正比,与曲率半径成反比力成正比,与曲率半径成反比力成正比,与曲率半径成反比力成正比,与曲率半径成反比,曲率半径越小,附加,曲率半径越小,附加压力越大。压力越大。方向:方向:沿曲率半径指向圆心沿曲率半径指向圆心沿曲率半径指向圆心沿曲率半径指向圆心/10/10第29页上一内容下一内容回主目录拉普拉斯方程应用拉普拉斯方程应用拉普拉斯方程应用拉普拉斯方程应用计算小液滴或液体中小气泡附加压力。计算小液滴或液体中小气泡附加压力。小液滴或小气泡小液滴或小气泡肥皂泡肥皂泡(内外两个气液界面内外两个气液界面)毛细现象毛细现
18、象/10/10第30页上一内容下一内容回主目录毛细现象毛细现象毛细现象毛细现象凹液面凹液面 曲率半径曲率半径r1与毛细管半径与毛细管半径r关系:关系:cosq q=r/r1 p=2g g/r1=r rgh液面上升高度液面上升高度凸液面凸液面液面下降高度液面下降高度应用:农民锄地应用:农民锄地/10/10第31页上一内容下一内容回主目录2.微小液滴饱和蒸汽压微小液滴饱和蒸汽压开尔文公式开尔文公式 设有物质量为设有物质量为dn微量液体,由平液面转移到半径微量液体,由平液面转移到半径为为r小液滴。小液滴。dnrr+dr面积增量面积增量吉布斯函数增加量吉布斯函数增加量原因原因/10/10第32页上一内
19、容下一内容回主目录将将代入,得代入,得凸液面凸液面凹液面凹液面开尔文公式开尔文公式开尔文公式开尔文公式p pr r 1/r 1/r p pr r:饱和蒸气压饱和蒸气压毛细管凝结毛细管凝结开尔文公式应用开尔文公式应用开尔文公式应用开尔文公式应用/10/10第33页上一内容下一内容回主目录3.亚稳状态及新相生成亚稳状态及新相生成亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态稳态稳态不稳态不稳态r为为nm级级开尔文效应开尔文效应亚稳态亚稳态过饱和蒸汽过饱和蒸汽过热液体过热液体过冷液体过冷液体过饱和溶液过饱和溶液新相新相稳态稳态热力学不稳定热力学不稳定动力学暂时稳定动力学暂时稳定/10/10第34页上一内容下一内容回主目录
20、(1)过饱和蒸气过饱和蒸气指按摄影平衡条件指按摄影平衡条件应该凝结而未凝结应该凝结而未凝结应该凝结而未凝结应该凝结而未凝结蒸汽。蒸汽。原因原因 蒸汽凝结时,首先要生成极微小液滴蒸汽凝结时,首先要生成极微小液滴(新相新相),而,而微小液滴蒸汽压要大于同温下平液微小液滴蒸汽压要大于同温下平液微小液滴蒸汽压要大于同温下平液微小液滴蒸汽压要大于同温下平液 面上蒸汽面上蒸汽面上蒸汽面上蒸汽压压压压。也就是说,当蒸汽压力对通常液体已到达饱。也就是说,当蒸汽压力对通常液体已到达饱和状态时,微小液滴却未到达饱和状态。这时,和状态时,微小液滴却未到达饱和状态。这时,微小液滴既不可能产生,也不可能存在。微小液滴既
21、不可能产生,也不可能存在。/10/10第35页上一内容下一内容回主目录g g,饱饱 l l,平平平平g,饱饱 l,平平l,微微 g,饱饱 l,平平 因为新生成液滴比表面大,化学势大,比普通饱因为新生成液滴比表面大,化学势大,比普通饱和蒸气化学势高,因而蒸气压力超出饱和蒸气压力时,和蒸气化学势高,因而蒸气压力超出饱和蒸气压力时,还没有液滴凝结出来所致。还没有液滴凝结出来所致。应用:人工降雨应用:人工降雨应用:人工降雨应用:人工降雨/10/10第36页上一内容下一内容回主目录(2)过热液体过热液体指按摄影平衡条件,指按摄影平衡条件,应该沸腾而不沸腾应该沸腾而不沸腾应该沸腾而不沸腾应该沸腾而不沸腾液
22、体。液体。p0pr产生微小气泡所需压强产生微小气泡所需压强正常沸点压强为正常沸点压强为p0液体温度升高,形成过热液体液体温度升高,形成过热液体处理方法:加入沸石处理方法:加入沸石(预存气体预存气体)/10/10第37页上一内容下一内容回主目录(3)过冷液体过冷液体指按摄影平衡条件,指按摄影平衡条件,应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出液体液体 在一定温度下,在一定温度下,微小晶体饱和蒸气压大于晶体微小晶体饱和蒸气压大于晶体微小晶体饱和蒸气压大于晶体微小晶体饱和蒸气压大于晶体,其其其其熔点比大晶体低熔点比大晶体低熔点比大晶体低熔点比大晶体低。若温。若温
23、度不下降度不下降(仍处于正常凝固仍处于正常凝固点时点时),液体内不能形成小晶,液体内不能形成小晶粒粒(晶种晶种)不析出晶体。不析出晶体。/10/10第38页上一内容下一内容回主目录 因为新生成微小晶体比表面大,化学势大,比普通因为新生成微小晶体比表面大,化学势大,比普通到达凝固点液体化学势高,因而液体温度到达凝固点时,到达凝固点液体化学势高,因而液体温度到达凝固点时,还没有微小晶体凝结出来。必须在温度降低后,微小晶还没有微小晶体凝结出来。必须在温度降低后,微小晶体化学势小于或等于液体化学势才有微小晶体从液体中体化学势小于或等于液体化学势才有微小晶体从液体中析出。析出。l l,平平s s s s
24、,平平平平l,平平 s,平平s,微微 l,平平 s,平平/10/10第39页上一内容下一内容回主目录(4)过饱和溶液过饱和溶液 这是因为这是因为晶体溶解度与晶粒大小相关晶体溶解度与晶粒大小相关晶体溶解度与晶粒大小相关晶体溶解度与晶粒大小相关。晶体颗粒。晶体颗粒越小,其溶解度就越大,对微晶来说就越不易到达饱越小,其溶解度就越大,对微晶来说就越不易到达饱和。也就是说,和。也就是说,当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和当溶液浓度对大晶体来说已到达饱和时,而微小晶粒则还能够继续溶解时,而微小晶粒则还能够继续溶解时,而微小晶粒则还能够继续溶解时
25、,而微小晶粒则还能够继续溶解。即微小晶粒不可。即微小晶粒不可能存在。能存在。指按摄影平衡条件,指按摄影平衡条件,应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出应该析出晶体而未析出溶液溶液溶液溶液。/10/10第40页上一内容下一内容回主目录l l l l,饱饱饱饱s s s s,平平平平l,饱饱 s,平平s,微微l,饱饱s,平平 因为新生成微小晶体比表面大,化学势大,比普因为新生成微小晶体比表面大,化学势大,比普通到达饱和浓度溶液化学势高,因而溶液浓度到达饱通到达饱和浓度溶液化学势高,因而溶液浓度到达饱和浓度时,还没有微小晶体析出出来所致。和浓度时,还没有微小晶体析出出来所致。/
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