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固體壁面液滴運動行為 版權信息
- ISBN：9787030725394
- 條形碼：9787030725394 ; 978-7-03-072539-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
固體壁面液滴運動行為 內容簡介
固體壁面液滴運動行為是近年來的一個熱門研究領域，在質子交換膜燃料電池促排水、防結冰、微流控、微反應器等領域具有豐富的理論和工程研究價值。本書結合作者團隊十余年的研究成果，不僅深入闡述了典型固體壁面上液滴潤濕、撞擊、振蕩、融合及脫落等行為規律，而且系統揭示了親水軌道、超疏水/疏水軌道及水膜軌道上液滴導引規律與力學機制，還細致展示了親水光滑壁面、親水微溝槽壁面及疏水性壁面上迥異的水滴撞擊結冰行為規律。 本書有助于國內同行快速了解典型壁面潤濕理論與液滴試驗方法，掌握典型固體壁面液滴運動行為與原理，可作為船舶、兵器、航空、交通、能源、電力等領域科研人員和研究生開展類似基礎研究和相關工程技術研發的參考書籍。
固體壁面液滴運動行為 目錄
目錄
前言
第1章 潤濕現象與液滴動力學理論 1
1.1 固體壁面液滴運動行為研究意義 1
1.2 界面與表面張力 2
1.2.1 表面張力和表面自由能 2
1.2.2 影響表面張力的因素 5
1.3 固液界面潤濕現象 6
1.3.1 接觸角和潤濕 6
1.3.2 接觸角測定和接觸角遲滯 9
1.4 液滴撞擊平板過程 11
1.4.1 液滴撞擊平板過程現象描述 11
1.4.2 液滴*大鋪展半徑評估 12
1.4.3 液滴撞擊平板過程中的其他現象 14
參考文獻 16
第2章 疏水溝槽壁面液滴靜潤濕特性 19
2.1 引言 19
2.2 試驗方法 19
2.2.1 規則溝槽壁面制備方法 19
2.2.2 疏水溝槽壁面制備方法 21
2.3 疏水溝槽壁面液滴靜潤濕行為規律 22
2.3.1 壁面溝槽對靜潤濕狀態的影響 22
2.3.2 表面能對靜潤濕狀態的影響 25
2.3.3 影響機理分析 27
2.4 本章小結 29
參考文獻 29
第3章 規則微溝槽面液滴撞擊特性研究 31
3.1 引言 31
3.2 試驗方法 31
3.2.1 試驗系統 31
3.2.2 液滴發生器 32
3.2.3 規則微溝槽表面 33
3.2.4 試驗流程 34
3.3 液滴鋪展過程及狀態 34
3.3.1 液滴鋪展過程 34
3.3.2 液滴*大鋪展狀態 38
3.3.3 伴隨指狀物 40
3.4 液滴*大鋪展直徑理論分析 41
3.4.1 溝槽表面的潤濕性與微觀形貌效應 41
3.4.2 液滴撞擊后*大鋪展直徑的理論預測 44
3.5 本章小結 47
參考文獻 47
第4章 疏水溝槽壁面上液滴振蕩行為 49
4.1 引言 49
4.2 試驗方法 49
4.3 液滴撞擊振蕩過程 50
4.4 疏水溝槽壁面上液滴振蕩規律 52
4.4.1 三相接觸線振蕩特性 52
4.4.2 液滴高度振蕩特性 56
4.4.3 穩定高度的計算公式推導 60
4.4.4 液滴振蕩周期的公式推導 63
4.5 本章小結 65
參考文獻 65
第5章 規則微溝槽表面液滴融合行為 66
5.1 引言 66
5.2 試驗方法 66
5.2.1 試驗系統 66
5.2.2 試驗表面 67
5.2.3 試驗流程 68
5.3 液滴沿垂直溝槽方向融合行為 68
5.3.1 液滴變形 68
5.3.2 橋狀物尺寸變化規律 69
5.3.3 液滴中心距對于融合的影響 72
5.4 液滴沿平行溝槽方向融合 75
5.4.1 液滴變形 75
5.4.2 橋狀物尺寸變化規律 77
5.4.3 液滴中心距對于融合的影響 79
5.5 液滴融合模型分析 82
5.6 本章小結 85
參考文獻 85
第6章 規則微溝槽表面液滴脫落特性 87
6.1 引言 87
6.2 試驗方法 87
6.2.1 試驗系統 87
6.2.2 試驗表面 87
6.2.3 液滴靜態和動態接觸角度 88
6.2.4 試驗流程 90
6.3 規則微溝槽表面液滴脫落行為 91
6.3.1 液滴脫落變形 91
6.3.2 液滴脫落的臨界風速 94
6.3.3 液滴體積對脫落行為的影響 96
6.3.4 溝槽深度對脫落行為的影響 98
6.4 液滴脫落模型 101
6.4.1 溝槽表面液滴形狀 101
6.4.2 溝槽表面液滴受力平衡模型與受力(含兩種力) 103
6.4.3 溝槽表面液滴毛細力 103
6.4.4 溝槽表面液滴拖拽力 106
6.4.5 溝槽表面液滴脫落模型驗證 108
6.5 本章小結 109
參考文獻 109
第7章 基于親水軌道的液滴穩定導引 111
7.1 引言 111
7.2 試驗方法 111
7.2.1 重力試驗系統 111
7.2.2 風洞試驗系統 114
7.2.3 兩種試驗系統的比較 116
7.3 基于親水玻璃軌道的液滴無脫軌導引 117
7.3.1 液滴的啟動 117
7.3.2 液滴的脫軌 118
7.3.3 液滴運動規律 119
7.4 親水V型槽導引 122
7.4.1 親水V型槽潤濕過程 122
7.4.2 水滴隱/顯性導引 124
7.4.3 水滴顯性導引 126
7.4.4 水滴隱性自運輸 128
7.5 親水絲軌道導引 130
7.5.1 超疏水基底制作方法 130
7.5.2 親水絲軌道導引規律 130
7.6 本章小結 132
參考文獻 132
第8章 超疏水/疏水軌道表面液滴導引方法 134
8.1 引言 134
8.2 試驗準備 134
8.3 基于疏水軌道的液滴無質量損失導引方法 137
8.3.1 無質量損失導引現象 137
8.3.2 無質量損失導引運動學規律 140
8.3.3 無質量損失導引力學分析 142
8.4 基于超疏水軌道的液滴快速導引方法 146
8.4.1 快速導引運動學規律 146
8.4.2 快速導引現象 147
8.4.3 軌道俯仰角的導引規律 147
8.4.4 軌道偏角的導引規律 149
8.5 快速導引力學分析 150
8.6 本章小結 153
參考文獻 153
第9章 水膜軌道上水滴導引 155
9.1 引言 155
9.2 水膜軌道的制備方法 155
9.3 水膜軌道導引現象 156
9.3.1 水滴的啟動 156
9.3.2 水滴的導引 157
9.3.3 導引的失效 157
9.4 水膜導引運動學規律 158
9.4.1 水膜軌道上水滴滾動角變化規律 158
9.4.2 超疏水表面水膜軌道水滴導引規律 158
9.4.3 親水表面水膜軌道水滴導引規律 163
9.4.4 水滴導引與基底材料關系 163
9.5 水膜導引力學分析 165
9.5.1 超疏水表面水膜軌道導引力學分析 165
9.5.2 親水表面水膜軌道導引力學分析 168
9.6 選擇性導引 170
9.7 本章小結 171
參考文獻 171
第10章 親水光滑壁面上水滴撞擊結冰行為 173
10.1 引言 173
10.2 試驗方法 173
10.2.1 試驗裝置 173
10.2.2 試驗流程 174
10.3 韋伯數對水滴撞擊結冰行為的影響 175
10.3.1 水滴撞擊結冰過程 175
10.3.2 鋪展系數規律 178
10.3.3 振蕩和結冰時間規律 179
10.4 壁面溫度對水滴撞擊結冰行為的影響 180
10.4.1 水滴撞擊結冰過程 180
10.4.2 *大鋪展系數規律 180
10.4.3 振蕩和結冰時間規律 181
10.5 材料熱導率對水滴撞擊結冰行為的影響 182
10.5.1 水滴撞擊結冰過程 182
10.5.2 *大鋪展系數規律 182
10.5.3 振蕩和結冰時間規律 183
10.6 水滴撞擊光滑壁面結冰行為 184
10.6.1 鋪展過程 184
10.6.2 結冰時間 186
10.7 本章小結 190
參考文獻 190
第11章 親水微溝槽壁面上水滴撞擊結冰行為 192
11.1 引言 192
11.2 制備方法 192
11.3 水滴撞擊微米級溝槽硅板的結冰行為 193
11.3.1 矩形硅板上水滴撞擊結冰過程 193
11.3.2 *大鋪展直徑和結冰時間 194
11.4 水滴撞擊百微米級溝槽銅板的結冰行為 196
11.4.1 矩形銅板上水滴撞擊結冰過程 196
11.4.2 立柱型銅板上水滴撞擊結冰過程 199
11.5 水滴撞擊微溝槽壁面結冰行為分析 201
11.5.1 微溝槽結構對水滴運動行為的影響 201
11.5.2 *大鋪展系數理論預測 203
11.5.3 結冰時間理論公式的修正 203
11.6 本章小結 205
參考文獻 205
第12章 疏水性壁面上水滴撞擊結冰行為 206
12.1 引言 206
12.2 制備方法 206
12.2.1 壁面潤濕性表征 206
12.2.2 疏水性壁面制備方法 206
12.3 水滴撞擊疏水性壁面的結冰行為 208
12.3.1 疏水性壁面水滴撞擊結冰過程 208
12.3.2 *大鋪展系數和結冰時間 209
12.3.3 低溫疏水性壁面水滴彈跳規律 210
12.3.4 疏水性壁面水滴撞擊結冰理論 210
12.4 水滴撞擊超疏水表面的結冰行為 212
12.4.1 常溫超疏水表面水滴撞擊過程 212
12.4.2 低溫超疏水表面水滴撞擊結冰過程與破碎行為 213
12.5 水滴撞擊親/疏水相間結構壁面的結冰行為 217
12.5.1 水滴結冰“引導”現象 217
12.5.2 水滴結冰“切割”現象 219
12.5.3 水滴結冰“匯聚”現象 221
12.6 本章小結 224
參考文獻 224
附錄 226
后記 229
前言
第1章 潤濕現象與液滴動力學理論 1
1.1 固體壁面液滴運動行為研究意義 1
1.2 界面與表面張力 2
1.2.1 表面張力和表面自由能 2
1.2.2 影響表面張力的因素 5
1.3 固液界面潤濕現象 6
1.3.1 接觸角和潤濕 6
1.3.2 接觸角測定和接觸角遲滯 9
1.4 液滴撞擊平板過程 11
1.4.1 液滴撞擊平板過程現象描述 11
1.4.2 液滴*大鋪展半徑評估 12
1.4.3 液滴撞擊平板過程中的其他現象 14
參考文獻 16
第2章 疏水溝槽壁面液滴靜潤濕特性 19
2.1 引言 19
2.2 試驗方法 19
2.2.1 規則溝槽壁面制備方法 19
2.2.2 疏水溝槽壁面制備方法 21
2.3 疏水溝槽壁面液滴靜潤濕行為規律 22
2.3.1 壁面溝槽對靜潤濕狀態的影響 22
2.3.2 表面能對靜潤濕狀態的影響 25
2.3.3 影響機理分析 27
2.4 本章小結 29
參考文獻 29
第3章 規則微溝槽面液滴撞擊特性研究 31
3.1 引言 31
3.2 試驗方法 31
3.2.1 試驗系統 31
3.2.2 液滴發生器 32
3.2.3 規則微溝槽表面 33
3.2.4 試驗流程 34
3.3 液滴鋪展過程及狀態 34
3.3.1 液滴鋪展過程 34
3.3.2 液滴*大鋪展狀態 38
3.3.3 伴隨指狀物 40
3.4 液滴*大鋪展直徑理論分析 41
3.4.1 溝槽表面的潤濕性與微觀形貌效應 41
3.4.2 液滴撞擊后*大鋪展直徑的理論預測 44
3.5 本章小結 47
參考文獻 47
第4章 疏水溝槽壁面上液滴振蕩行為 49
4.1 引言 49
4.2 試驗方法 49
4.3 液滴撞擊振蕩過程 50
4.4 疏水溝槽壁面上液滴振蕩規律 52
4.4.1 三相接觸線振蕩特性 52
4.4.2 液滴高度振蕩特性 56
4.4.3 穩定高度的計算公式推導 60
4.4.4 液滴振蕩周期的公式推導 63
4.5 本章小結 65
參考文獻 65
第5章 規則微溝槽表面液滴融合行為 66
5.1 引言 66
5.2 試驗方法 66
5.2.1 試驗系統 66
5.2.2 試驗表面 67
5.2.3 試驗流程 68
5.3 液滴沿垂直溝槽方向融合行為 68
5.3.1 液滴變形 68
5.3.2 橋狀物尺寸變化規律 69
5.3.3 液滴中心距對于融合的影響 72
5.4 液滴沿平行溝槽方向融合 75
5.4.1 液滴變形 75
5.4.2 橋狀物尺寸變化規律 77
5.4.3 液滴中心距對于融合的影響 79
5.5 液滴融合模型分析 82
5.6 本章小結 85
參考文獻 85
第6章 規則微溝槽表面液滴脫落特性 87
6.1 引言 87
6.2 試驗方法 87
6.2.1 試驗系統 87
6.2.2 試驗表面 87
6.2.3 液滴靜態和動態接觸角度 88
6.2.4 試驗流程 90
6.3 規則微溝槽表面液滴脫落行為 91
6.3.1 液滴脫落變形 91
6.3.2 液滴脫落的臨界風速 94
6.3.3 液滴體積對脫落行為的影響 96
6.3.4 溝槽深度對脫落行為的影響 98
6.4 液滴脫落模型 101
6.4.1 溝槽表面液滴形狀 101
6.4.2 溝槽表面液滴受力平衡模型與受力(含兩種力) 103
6.4.3 溝槽表面液滴毛細力 103
6.4.4 溝槽表面液滴拖拽力 106
6.4.5 溝槽表面液滴脫落模型驗證 108
6.5 本章小結 109
參考文獻 109
第7章 基于親水軌道的液滴穩定導引 111
7.1 引言 111
7.2 試驗方法 111
7.2.1 重力試驗系統 111
7.2.2 風洞試驗系統 114
7.2.3 兩種試驗系統的比較 116
7.3 基于親水玻璃軌道的液滴無脫軌導引 117
7.3.1 液滴的啟動 117
7.3.2 液滴的脫軌 118
7.3.3 液滴運動規律 119
7.4 親水V型槽導引 122
7.4.1 親水V型槽潤濕過程 122
7.4.2 水滴隱/顯性導引 124
7.4.3 水滴顯性導引 126
7.4.4 水滴隱性自運輸 128
7.5 親水絲軌道導引 130
7.5.1 超疏水基底制作方法 130
7.5.2 親水絲軌道導引規律 130
7.6 本章小結 132
參考文獻 132
第8章 超疏水/疏水軌道表面液滴導引方法 134
8.1 引言 134
8.2 試驗準備 134
8.3 基于疏水軌道的液滴無質量損失導引方法 137
8.3.1 無質量損失導引現象 137
8.3.2 無質量損失導引運動學規律 140
8.3.3 無質量損失導引力學分析 142
8.4 基于超疏水軌道的液滴快速導引方法 146
8.4.1 快速導引運動學規律 146
8.4.2 快速導引現象 147
8.4.3 軌道俯仰角的導引規律 147
8.4.4 軌道偏角的導引規律 149
8.5 快速導引力學分析 150
8.6 本章小結 153
參考文獻 153
第9章 水膜軌道上水滴導引 155
9.1 引言 155
9.2 水膜軌道的制備方法 155
9.3 水膜軌道導引現象 156
9.3.1 水滴的啟動 156
9.3.2 水滴的導引 157
9.3.3 導引的失效 157
9.4 水膜導引運動學規律 158
9.4.1 水膜軌道上水滴滾動角變化規律 158
9.4.2 超疏水表面水膜軌道水滴導引規律 158
9.4.3 親水表面水膜軌道水滴導引規律 163
9.4.4 水滴導引與基底材料關系 163
9.5 水膜導引力學分析 165
9.5.1 超疏水表面水膜軌道導引力學分析 165
9.5.2 親水表面水膜軌道導引力學分析 168
9.6 選擇性導引 170
9.7 本章小結 171
參考文獻 171
第10章 親水光滑壁面上水滴撞擊結冰行為 173
10.1 引言 173
10.2 試驗方法 173
10.2.1 試驗裝置 173
10.2.2 試驗流程 174
10.3 韋伯數對水滴撞擊結冰行為的影響 175
10.3.1 水滴撞擊結冰過程 175
10.3.2 鋪展系數規律 178
10.3.3 振蕩和結冰時間規律 179
10.4 壁面溫度對水滴撞擊結冰行為的影響 180
10.4.1 水滴撞擊結冰過程 180
10.4.2 *大鋪展系數規律 180
10.4.3 振蕩和結冰時間規律 181
10.5 材料熱導率對水滴撞擊結冰行為的影響 182
10.5.1 水滴撞擊結冰過程 182
10.5.2 *大鋪展系數規律 182
10.5.3 振蕩和結冰時間規律 183
10.6 水滴撞擊光滑壁面結冰行為 184
10.6.1 鋪展過程 184
10.6.2 結冰時間 186
10.7 本章小結 190
參考文獻 190
第11章 親水微溝槽壁面上水滴撞擊結冰行為 192
11.1 引言 192
11.2 制備方法 192
11.3 水滴撞擊微米級溝槽硅板的結冰行為 193
11.3.1 矩形硅板上水滴撞擊結冰過程 193
11.3.2 *大鋪展直徑和結冰時間 194
11.4 水滴撞擊百微米級溝槽銅板的結冰行為 196
11.4.1 矩形銅板上水滴撞擊結冰過程 196
11.4.2 立柱型銅板上水滴撞擊結冰過程 199
11.5 水滴撞擊微溝槽壁面結冰行為分析 201
11.5.1 微溝槽結構對水滴運動行為的影響 201
11.5.2 *大鋪展系數理論預測 203
11.5.3 結冰時間理論公式的修正 203
11.6 本章小結 205
參考文獻 205
第12章 疏水性壁面上水滴撞擊結冰行為 206
12.1 引言 206
12.2 制備方法 206
12.2.1 壁面潤濕性表征 206
12.2.2 疏水性壁面制備方法 206
12.3 水滴撞擊疏水性壁面的結冰行為 208
12.3.1 疏水性壁面水滴撞擊結冰過程 208
12.3.2 *大鋪展系數和結冰時間 209
12.3.3 低溫疏水性壁面水滴彈跳規律 210
12.3.4 疏水性壁面水滴撞擊結冰理論 210
12.4 水滴撞擊超疏水表面的結冰行為 212
12.4.1 常溫超疏水表面水滴撞擊過程 212
12.4.2 低溫超疏水表面水滴撞擊結冰過程與破碎行為 213
12.5 水滴撞擊親/疏水相間結構壁面的結冰行為 217
12.5.1 水滴結冰“引導”現象 217
12.5.2 水滴結冰“切割”現象 219
12.5.3 水滴結冰“匯聚”現象 221
12.6 本章小結 224
參考文獻 224
附錄 226
后記 229
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固體壁面液滴運動行為 節選
第1章 潤濕現象與液滴動力學理論 1.1 固體壁面液滴運動行為研究意義 液滴作為液體的一種常見呈現狀態，廣泛存在于自然界和生產、生活中。從大自然中云雨的形成，到工業噴涂、農藥噴灑，再到新能源、生物技術、航空航天等高新領域，液滴現象隨處可見(圖1.1)。 (a) 電線上的雨滴(b) 小麥葉面上的水滴(c) 屋檐下的水滴坑 圖1.1 自然界的液滴現象 老街區舊房屋檐下的石板路上，隨處可見的深淺不一的水坑，讓人們見證水滴石穿的同時，也好奇水滴的巨大威力；汽車、飛機行駛在雨中時，迎面而來的雨滴撞擊到擋風玻璃后破碎成細小液滴，并形成尾跡很長的水滴跡線，致使駕駛員視線受到影響；釀酒蒸餾中，液滴順著冷卻壁面流入采集瓶中，還會在采集瓶內壁出現神奇的“眼淚”現象[1]；涂料工業中，即使在壁面上存留有微小體積的液滴，也足以破壞工藝設備表面精確鍍膜的均勻性；農藥噴灑作業中，農藥液滴在噴射器內高壓空氣的作用下排出，散落在植物的瓜果和葉面上，如何實現疏水性葉面上農藥液滴的保持和停留也是一項重要農業技術。 在航空航天領域中，當雨滴高速撞擊到發動機進氣道壁面上時，會形成一道道不規則的水滴跡線，使得高速氣流被突然阻擋和壓縮，出現復雜的激波系[2]；發汗冷卻技術(transpiration cooling)則是模仿生物，通過冷卻液從壁面上的微孔中以液滴的形式不斷擠出蒸發，來實現熱防護的目的。另外，由連續液滴組成的液滴束流技術已被成功應用于噴墨打印、高速細胞分類等領域，且未來在外太空飛行器間漿料、燃料等液體的無管道輸送、空間飛行器修復等領域也具有很好的應用前景[3-5]。 圖1.2 質子交換膜燃料電池中的液滴現象 近年來，質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)技術(圖1.2)發展迅猛，國內外許多研發機構已陸續開發出了驗證樣機。其中，水管理(water management)問題是PEMFC領域亟須解決的關鍵性科學難題之一[2，5]。當PEMFC運行時，內部會不斷產生水(其穩定運行溫度一般在80℃左右，該條件下水主要以液態水滴狀態存在)，而這些水滴需要在反應氣體夾帶與吹掃作用下實時移除。當大量水滴在內部發生匯集現象時，就會導致供氣通道兩端壓降增大，出現氣流和反應物分布不均勻，從而降低PEMFC的工作性能(圖1.2)。另外，大量水滴在電極板上鋪展后，還會阻止反應氣體與催化劑的接觸，出現電極“水淹”現象，甚至導致電池失效。因此，如何及時有效地移除內部不斷產生的水滴，并抑制伴隨發生的水滴匯集和鋪展，是持續對外高性能輸出電能的關鍵，也是阻止PEMFC走向商品化的一個富有挑戰性的障礙[5]。目前，國內外研究者通過對PEMFC內部水滴的產生與分布狀態的試驗與仿真研究，先后提出了增大反應氣體流速、改進流道結構等改善水管理效果的技術策略，但這些方法共同的缺陷就是致使PEMFC偏離了*佳工作狀態[2-3，5-6]。 綜上所述，液滴運動涉及人們生產、生活的諸多方面，具有非常重要的科研價值；而固體壁面上液滴運動現象是其中重要的一類。深入探索固體壁面上液滴運動及其動力學機制，不僅能更好地認識自然現象，而且有助于生產、生活中趨利避害，解決好實際工程中的液滴運動問題意義重大。近年來液滴動力學現象和技術吸引了越來越多國內外研究者的關注，在理論和試驗方面取得了巨大的進展，但仍有大量問題亟待研究。因此，本書計劃針對該研究領域的空缺環節，深入開展固體壁面上液滴的變形、移動、撞擊、融合、振蕩等研究，探索固體壁面上液滴運動基本規律，并揭示其內在動力學機制。 1.2 界面與表面張力 1.2.1 表面張力和表面自由能 自然界液滴現象的復雜與多變性、工農業生產中液滴控制技術的困難性均源自液滴空氣自由面(或稱為氣液相界面)運動的復雜性。自由面的重要特性之一就是表面張力。 1. 表面現象的微觀成因與表面張力 液體表面張力的根源與物質分子的排布形式密不可分。圖1.3為空氣中液相表面現象微觀成因。當物質分子處于均質的氣相或液相內部時，其受到周圍分子作用基本平衡，可以認為其處于一個低“自由能”狀態。而當分子處于界面時，由于其兩側分子密度差異較大，因而其受到指向液相內部的合力，此部分分子處于較高的能量狀態。由此造成了氣液過渡區分子勢能的“過剩”(見圖1.3的陰影區)。界面上的分子數目越多，或者說氣液自由面面積越大，整個系統的過剩自由能就越高。受到系統能量*低的約束，自由液體的表面積趨于*小，自由狀態下，一定體積的液體呈球形。對于單組分體系，界面一般顯現為同一物質密度的迅速變化；而對于多組分體系，則表現為各相的濃度變化。 圖1.3 空氣中液相表面現象微觀成因圖 圖1.4 表面張力測量方法示意圖 由于界面過剩自由能的存在，當人們試圖增加液體的表面積時，通常需要做功。圖1.4為表面張力測量方法示意圖。現有帶有一條活動邊框的金屬線框，金屬框架上形成一張肥皂膜。在力 作用下，肥皂膜被緩慢拉開，肥皂膜的面積增大。忽略摩擦力等作用時，我們發現 (1.1) 式中 是滑動邊的長度，因為膜有兩個面，所以此處有系數“2”；參數 反映了肥皂膜表面抵抗拉伸的能力，我們定義其為表面張力。式中 具有能量的量綱， 為單位面積界面上的過剩能的含義也就比較明顯了， 的單位為 。 2. 表面自由能 相對于本體相的分子，表面相的分子具有過剩能，這種勢能只有當分子處在表面的時候才有，所以叫作表(界)面自由能，簡稱表面能。欲使表面能增加，則必須消耗一定數量的功，所消耗的功即等于表面自由能增量。當表面縮小時，同樣大小的能量又被釋放。 使液體表面積增大的過程是分子克服液相分子吸引力轉移到表面的過程。基于公式(1.1)，表面能變化可以更一般地表達為 (1.2) 吉布斯自由能表示在恒溫恒壓下系統對外做非體積功的能力。在物質組分不變的情況下，表面能的增加即等于體系吉布斯自由能的變化量： (1.3) 上式表明，考慮界面分子對于多相體系能量的貢獻，除了溫度( )、壓力( )、組分( )等因素，表面積也是影響體系熱力學函數的一個重要變量。 考慮了表面功，熱力學勢基本公式中應相應增加 一項，即 (1.4) (1.5) (1.6) (1.7) 由此可得： 。這里 分別為內能、焓、亥姆霍茲自由能和吉布斯自由能。公式中的 統稱為廣義的表面自由能，其定義為保持相應的熱力學狀態量不變時，增加單位表面積條件下，相應熱力學勢的增量。 前面的敘述適用于兩種介質總體表現出互斥作用，或者同種物質分子動能與其內作用力共同影響的情況。將分子自本體相內移動到表面需要做功，可認為在界面區域存在能量勢壘；它阻礙本體相內部分子進入表面區內。但是，假如兩種分子之間存在強烈的吸引作用，或者分子動能遠高于界面過剩能，那么 可能出現負值或者可以忽略不計。這意味著界面可以自發地增大或者界面相被分子熱運動所擾亂，此時一相可以完全分散到另一相中，形成一個均勻體系，那么就不再存在界面了。 1.2.2 影響表面張力的因素 1. 物質種類的影響 由于物質內部的分子間的相互作用類型不同，分子內壓力也就不同，導致各種物質的表面張力不同。對純液體或純固體，表面張力取決于分子間化學鍵能的大小。一般而言，化學鍵能越大，表面張力越大。一般有規律為： 。各種作用力的鍵能值見附錄表1。 這些作用力中，化學鍵作用較強，其引起的表面張力可以達到幾百到上千mN/m。附錄表2給出了金屬和一些化合物的表面張力值。 對于一些常見的液體，分子間相互作用主要是范德瓦耳斯作用，其作用力較弱，因此表面張力均不大，多數在十幾或幾十mN/m。而一部分液體的分子中存在氫鍵作用，如水、乙醇等，其表面張力值會比較高些。附錄表3列出了部分液體的表面張力值。 2. 溫度與環境壓力的影響 表面張力對溫度的依賴關系一般為：溫度升高，界面張力下降。一方面，溫度上升導致液體內分子熱運動加劇，從而弱化了分子間作用力的影響；另一方面，溫度上升會使表面層兩側介質的密度差變小，從而使界面上的分子受到的合力的指向性也變弱。兩種效應都使表面張力下降。而當溫度升高到臨界溫度 時，氣液兩相密度相等，界面消失， 。描述表面張力與溫度依賴關系的經驗公式為 (1.8) 圖1.5表明烷烴表面張力與溫度間的變化關系。 圖1.5 烷烴表面張力與溫度關系圖 表面張力一般隨壓力的增加而下降。以氣液兩相流體為例，因為壓力增加，液體被壓縮，體積變小，液體分子間距減小，分子間斥力增加，對應的氣相密度增加，表面分子受力不均勻性趨于好轉。另外，若是氣相中有別的物質，則壓力增加，促使表面吸附增加，氣體溶解度增加，也使表面張力下降。壓力與表面張力關系的試驗研究不易進行，一般來說，壓力對表面張力的影響可以從以下三個方面考慮: (1) 壓力增加，兩相密度差減小， 減小。 (2) 壓力增加，氣體在液體表面上的吸附使表面能降低(吸附放熱)，因此 減小。 (3) 壓力增加，氣體在液體中的溶解度增大，表面能降低。 1.3 固液界面潤濕現象 1.3.1 接觸角和潤濕 潤濕是固體表面上的氣體被液體取代的過程。此過程中，系統中過剩能量的計算不僅需要考慮氣液界面，同時需要考慮氣固和液固界面。相應的表面張力記為 (液固界面張力)， (氣液界面張力)和 (氣固界面張力)。在一定的溫度和壓力下，液體在固壁面上的潤濕程度可參考系統總的吉布斯自由能的改變量來判斷。潤濕過程中吉布斯自由能減少得越多，則越易潤濕。按濕潤程度的深淺或濕潤性能的優劣一般可將濕潤分為三類：沾濕、浸濕、鋪展狀態。 1. 黏附功與鋪展系數 在等溫等壓條件下，單位面積的液面與固體表面黏附時對外所做的*大功稱為黏附功，它是液體能否潤濕固體的一種量度。黏附功越大，液體越能潤濕固體，液固結合得越牢。圖1.6顯示了黏附過程中，液體表面和固體表面消失，單位液固界面生成的情況。對外黏附功就等于這個過程系統吉布斯自由能變化值的負值。 (1.9) 黏附功的大小反映了液體對固體潤濕程度的大小。黏附功越大，潤濕性越好。與黏附功等價，也可以定義鋪展系數： 。若 ，說明液體可以在固體表面自動鋪展(圖1.7)，反之則不然。 (1.10)
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