固体表面的物理化学性质|热水泵

1．表面（界面）自由能

固体表面层的性质与固体内部的不一样。以裸露在空气中的固体表面为例（图3-13），固体中分子A处于同类分子的包围中，周围分子对它的引力所有方向都是相等的。它处于均匀力场中，作用在其上的合力为零。在表面上的分子B的上方裸露在空气中，固体分子和空气分子对它施加的引力不相等，所以，分子B处于不均匀的力场中，它受到一个垂直于固体表面的指向固体内部的引力。要把分子A从内部移到表面，就必须克服这一引力而对分子A作功。根据功能定理，（热水泵）对分子所作的功可转变为分子的势能。这种属于表面势能的总和称为固体与空气相接触时固体表面自由能。单位面积上的表面（界面）自由能称为比表面能，用表示，单位是J/m=N·m/m2=N/m。表面上的分子在指向内部引力的作用下有从表面进入内部的趋势，使表面积尽量缩小，结果在表面切向产生表面张力。表面张力的单位和比表面能单位相同，为N/m。

2．固体表面的湿润性、物质的内聚功和吸附功

湿润现象是一种常见的现象。例如水滴在玻璃上（图3-14a）形成凸镜的形状；水滴在石蜡或石墨表面，水就不能铺展而形成扁球状（图3-14b）。液体在固体表面的湿润程度用接触角θ来衡量。它可以用液体与固体界面上的表面张力的平衡方程求得。固体与气体表面张力为

（3-26）

则 （3-27）

液体和气体的表面张力随θ角的大小而改变，θ越小，液体的湿润性越好，反之则差。摩擦系数与润滑剂与摩擦表面的湿润性有关。

固体的摩擦和磨损与物质的内聚功Wc和粘附功Wab有关。在不改变截面积的条件下将截面为1cm2固体柱分成两段时对它所作的功称为内聚功Wc，它表征相同物质的吸引程度。，即拉断后的比表面能增加一倍。假如柱的上段物质a和下段物质b的接触部分的界面能为。当柱在a、b界面上断开，对柱所作的功称为粘附功Wab。断开后柱增加表面能和。根据功能定理Wab=+-。实验证明，界面能约为。若a、b两物质能互相溶解或形成金属间化合物，其界面能较小，约为；若a、b两物质不能互相溶解，其界面能较大，约为，所以

a、b为同一物质 （3-28）

a、b相互溶解 （3-28a）

a、b相互溶解 （3-28b）

由上可见，Wc>Wab，所以相同物质的摩擦系数要大于不同物质的摩擦系数。