6.1 固体表面的基本特征(2)

   
     6.1.3 表面能和表面张力
    对于一般的表面系统，如果没有外力的作用，其系统总表面能将自发趋向于最低化。如液体将倾向于形成球形表面，此时其面积与体积之比最小，这种现象就是表面能作用的结果。如果要增加液体的表面，就需对系统做功。表面能就是增加单位面积的表面所需要做的可逆功，单位为J·m^-2。
    液体表面收缩的倾向也可看做是表面张力的作用结果，表面张力是指产生单位长度新表面所需的力，单位是N·m^-1。对液体来说，表面能和表面张力具有相同的数值和量纲，它的含义是产生一个新的单位面积所消耗的功与产生新表面时单位长度上所需要的力相等。液体的表面能可用许多方法来测定，最常用的一种方法是将一根毛细管插入液体中，测定液体在毛细管中上升的高度h，就可求出液体表面张力γ：
                           （6-1）
   式中：ρ为液体密度；g为重力加速度；r为毛细管半径；θ为接触角。
    固体是一种刚性物质，表面上的质点没有流动性，能够承受剪应力的作用。因此固体增加单位面积所需之可逆功即表面能一般不等于表面张力γ，其差值与过程的弹性应变有关。也可以说，固体的弹性变形行为改变了增加面积的做功过程，不再使固体的表面能与表面张力在数值上相等。但是，如果固体在较高的温度下能表现出足够的质点可移动性，则仍可近似认为表面能与表面张力在数值上相等。
     由于表面张力或表面能反映的是物质质点间的引力作用，因此随温度的升高表面能一般为减小。这是因为热运动削弱了质点间的吸引力。例如，水的表面张力在25℃时为0.072N·m^-1，在100℃时减小到0.059N·m^-1。表6-2列出了某些物质处于液态时的表面能，可以看出，强键力的液态金属和熔盐具有较高的表面能。
     
    杂质的存在可以对物质的表面能产生显著的影响。如果某物质中含有少量表面张力较小的组分，则这些组分便会在表面上富集，即使它们的含量很少，也可以使该物质的表面张力大大降低。相反，若含有少量表面张力较大的组分，则这些组分是倾向于在体积内部富集，而对该物质的表面张力影响不大。对物质表面张力能产生强烈影响的组分常称为表面活化剂，例如在铁的熔融液中，只要含有万分之五的氧和硫，就可以使其表面张力由1.8J·m^-2下降为1.2 J·m^-2。对于许多固体金属、氮化物和碳化物的表面，氧能产生类似的影响。
（本节完）