6.1 固體表面的基本特征(2)

   
     6.1.3 表面能和表面張力
    對(duì)于一般的表面系統(tǒng)，如果沒(méi)有外力的作用，其系統(tǒng)總表面能將自發(fā)趨向于最低化。如液體將傾向于形成球形表面，此時(shí)其面積與體積之比最小，這種現(xiàn)象就是表面能作用的結(jié)果。如果要增加液體的表面，就需對(duì)系統(tǒng)做功。表面能就是增加單位面積的表面所需要做的可逆功，單位為J·m^-2。
    液體表面收縮的傾向也可看做是表面張力的作用結(jié)果，表面張力是指產(chǎn)生單位長(zhǎng)度新表面所需的力，單位是N·m^-1。對(duì)液體來(lái)說(shuō)，表面能和表面張力具有相同的數(shù)值和量綱，它的含義是產(chǎn)生一個(gè)新的單位面積所消耗的功與產(chǎn)生新表面時(shí)單位長(zhǎng)度上所需要的力相等。液體的表面能可用許多方法來(lái)測(cè)定，最常用的一種方法是將一根毛細(xì)管插入液體中，測(cè)定液體在毛細(xì)管中上升的高度h，就可求出液體表面張力γ：
                           （6-1）
   式中：ρ為液體密度；g為重力加速度；r為毛細(xì)管半徑；θ為接觸角。
    固體是一種剛性物質(zhì)，表面上的質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有流動(dòng)性，能夠承受剪應(yīng)力的作用。因此固體增加單位面積所需之可逆功即表面能一般不等于表面張力γ，其差值與過(guò)程的彈性應(yīng)變有關(guān)。也可以說(shuō)，固體的彈性變形行為改變了增加面積的做功過(guò)程，不再使固體的表面能與表面張力在數(shù)值上相等。但是，如果固體在較高的溫度下能表現(xiàn)出足夠的質(zhì)點(diǎn)可移動(dòng)性，則仍可近似認(rèn)為表面能與表面張力在數(shù)值上相等。
     由于表面張力或表面能反映的是物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的引力作用，因此隨溫度的升高表面能一般為減小。這是因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)削弱了質(zhì)點(diǎn)間的吸引力。例如，水的表面張力在25℃時(shí)為0.072N·m^-1，在100℃時(shí)減小到0.059N·m^-1。表6-2列出了某些物質(zhì)處于液態(tài)時(shí)的表面能，可以看出，強(qiáng)鍵力的液態(tài)金屬和熔鹽具有較高的表面能。
     
    雜質(zhì)的存在可以對(duì)物質(zhì)的表面能產(chǎn)生顯著的影響。如果某物質(zhì)中含有少量表面張力較小的組分，則這些組分便會(huì)在表面上富集，即使它們的含量很少，也可以使該物質(zhì)的表面張力大大降低。相反，若含有少量表面張力較大的組分，則這些組分是傾向于在體積內(nèi)部富集，而對(duì)該物質(zhì)的表面張力影響不大。對(duì)物質(zhì)表面張力能產(chǎn)生強(qiáng)烈影響的組分常稱(chēng)為表面活化劑，例如在鐵的熔融液中，只要含有萬(wàn)分之五的氧和硫，就可以使其表面張力由1.8J·m^-2下降為1.2 J·m^-2。對(duì)于許多固體金屬、氮化物和碳化物的表面，氧能產(chǎn)生類(lèi)似的影響。
（本節(jié)完）