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摩擦、磨損多發(fā)生在固體表面層,所以研究表面層的物理化學性質(zhì)很重要。
1.表面(界面)自由能
固體表面層的性質(zhì)與固體內(nèi)部的不一樣。以裸露在空氣中的固體表面為例(圖3-13),固體中分子A處于同類分子的包圍中,周圍分子對它的引力所有方向都是相等的。它處于均勻力場中,作用在其上的合力為零。在表面上的分子B的上方裸露在空氣中,固體分子和空氣分子對它施加的引力不相等,熱水泵 所以,分子B處于不均勻的力場中,它受到一個垂直于固體表面的指向固體內(nèi)部的引力。要把分子A從內(nèi)部移到表面,就必須克服這一引力而對分子A作功。根據(jù)功能定理,對分子所作的功可轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥膭菽?。這種屬于表面勢能的總和稱為固體與空氣相接觸時固體表面自由能。單位面積上的表面(界面)自由能稱為比表面能,用表示,單位是J/m=N·m/m2=N/m。表面上的分子在指向內(nèi)部引力的作用下有從表面進入內(nèi)部的趨勢,使表面積盡量縮小,結(jié)果在表面切向產(chǎn)生表面張力。表面張力的單位和比表面能單位相同,為N/m。
2.固體表面的濕潤性、物質(zhì)的內(nèi)聚功和吸附功
濕潤現(xiàn)象是一種常見的現(xiàn)象。例如水滴在玻璃上(圖3-14a)形成凸鏡的形狀;水滴在石蠟或石墨表面,水就不能鋪展而形成扁球狀(圖3-14b)。液體在固體表面的濕潤程度用接觸角θ來衡量。
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