2017-10-20 23:04:37

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表面能是恒温、恒压、恒组成情况下,可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功。表面能的另一种定义是,表面粒子相对于内部粒子所多出的能量。

表面能是创造物质表面时对分子间化学键破坏的度量。

基本信息

  • 中文名

    表面能

  • 外文名

    surface energy

  • 应用学科

    物理、化学

折叠 编辑本段 定义

折叠 表面能

表面能是创造物质表面时对分子间化学键破坏的度量。在固体物理理论中,表面原子比物质内部的原子具有更多的能量,因此,根据能量最低原理,原子会自发的趋于物质内部而不是表面。

表面能的另一种定义是,材料表面相对于材料内部所多出的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化学键,所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的,那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所增加的能量相等,即表面能增加。但事实上,只有在真空中刚刚形成的表面才符合上述能量守恒。因为新形成的表面是非常不稳定的,他们通过表面原子重组和相互间的反应,或者对周围其他分子或原子产生吸附,从而使表面能量降低。

也可以这样理解,由于表面层原子朝向外面的键能没有得到补偿,使得表面质点比体内质点具有额外的势能,称为表面能。

产生单位面积新表面所作的功:y=dw/ds

折叠 表面张力

由于物体表面积改变而引起的内能改变,液体的单位面积的表面能的数值和表面张力相同(固体则不相同),但两者物理意义不同。

物质的表面具有表面张力σ,在恒温恒压下可逆地增大表面积dA,则需功σdA,因为所需的功等于物系自由能的增加,且这一增加是由于物系的表面积增大所致,故称为表面自由能或表面能。

折叠 编辑本段 产生原因

物体表面的粒子和内部粒子所处的环境不同,因而所具有的能量不同。例如,在液体内部,每个离子都均匀地被邻近粒子包围着,使来自不同方向的吸引力相互抵消,处于力平衡状态。处于液体表面的粒子却不同,液体的外部是气体,气体的密度小于液体,故表面离子受到来自气体分子的吸引力较小,而受到液体内部粒子吸引力较大,使它在向内向外两个方向受到的力不平衡。这样是表面分子受到一个指向液体内部的拉力,因此,液体表面有自动收缩到最小的趋势。

如果要把液体内部的粒子迁移到表面上来,则需要克服向内的拉力而做功。当这些被迁移的粒子形成新的表面时,所消耗的这部分功就转变成表面内粒子的势能,使体系的总能量增加。表面粒子比内部粒子多出的这部分能量称为表面能。

实践证明,不仅在液体和气体的表面上存在着表面能,而且在任何两相界面上均存在着界面能。在胶体分散体系中,分散质颗粒具有很大的总表面积,故相应地具有很大的表面能。

折叠 编辑本段 性质

折叠 能量守恒

砸碎石头,就增大了石头的表面能,但是同时也做了功,能量守恒。

折叠 特殊的性质

由于表面层中的电子所处的表面势场与三维晶体内部不同,电子态就表现出特殊的性质。

理论上,常把传统的能带计算法(见能带理论)应用于表面薄层,以计算电子能量和波函数。描述表面电子态的波函数只存在于表面几个原子层的区域内,进一步深入内部时,波函数迅速衰减。从化学键模型看,表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价键,称为悬挂键

折叠 编辑本段 相关概念

折叠 悬挂键

这些悬挂键可提供电子或吸收电子,相当于半导体中的施主杂质和受主杂质(见半导体),从而形成与施主能级或受主能级相当的表面能级。表面能级可位于体能带的禁带区内,也可位于允许带内,后者称为共振态

折叠 清洁表面

清洁表面的表面能级称为本征表面态。当表面结构改变、表面吸附外来原子、或表面层存在各种缺陷时,表面能级的密度和分布均会发生明显变化。研究表面能级的起源、密度和分布,以及与表面结构的关系是表面物理学的基本内容之一。研究表面能级的主要实验手段有光电子能谱、离子中和谱等。

折叠 编辑本段 应用

时间长了,物品会有灰尘附着,就是因为灰尘附着降低了物体的表面积,从而降低了物体的表面能,物质能量都有自动趋向降低,保持稳定的特点。

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