如何简单证明表面能的存在
1。表面能和表面张力从定义上来看是不同的东西,但是可以证明等价。
1。1 表面能是这样子的：
假如一个物体具有A的表面,具有一定的Gibbs自由能G。相同温度,相同压强下,如果其表面积A有了一个dA的增量,那么,其Gibbs自由能也会有一个增量dG。 称dG/dA为表面能γ。显然,γ也是一个T、p的函数。再通俗地说,表面能就是增加单位面积Gibbs自由能的增量。表面能γ量纲为J/m^2。
（有的定义用的不是Gibbs自由能,而是内能。没有本质区别。 ）
1。2 张力是这样子的：
假定一个物体的表面上,取一条线的质点出来进行研究,会发现,这条线实际是受力的,受到了平行于表面、垂直于线的两...全部
1。表面能和表面张力从定义上来看是不同的东西,但是可以证明等价。
1。1 表面能是这样子的：
假如一个物体具有A的表面,具有一定的Gibbs自由能G。相同温度,相同压强下,如果其表面积A有了一个dA的增量,那么,其Gibbs自由能也会有一个增量dG。
称dG/dA为表面能γ。显然,γ也是一个T、p的函数。再通俗地说,表面能就是增加单位面积Gibbs自由能的增量。表面能γ量纲为J/m^2。
（有的定义用的不是Gibbs自由能,而是内能。没有本质区别。
）
1。2 张力是这样子的：
假定一个物体的表面上,取一条线的质点出来进行研究,会发现,这条线实际是受力的,受到了平行于表面、垂直于线的两侧的两个拉力F。单位线长上受力F叫做表面张力γ。表面张力γ量纲为N/m。
1。3 （发现没有,表面能和表面张力量纲都是一样的!）下面证明,表面能就是表面张力。为了证明中区分二者,表面能用γE表示,表面张力用γf表示。
假定在刚才的表面质点线的模型中,两侧的表面张力强行把这条线拉成了一个口子（就像拉开一个伤疤一样的）,考虑dl长度的一段微分线段上,被拉裂的宽度为ds,则根据做功公式,有
δW = Fds = (γf)dlds = γf dA
另一方面,不考虑热交换,则根据热力学第一定律,恒压条件下,有
dG = δW = γf dA
把dA除过去,则得到了表面能定义式
γE = dG/dA = γf
可见,表面能和张力就是一个东西,所以不再做字母区分,统一用γ表示
2。
超疏水
2。1 接触角（其实我个人觉得这个模型有问题……）
看一个接触角的概念。假设一个液滴落到了固体上,这个时候就出现固液气三相了,分析三相交界处,如图所示定义一个接触角θ。根据水平面受力平衡,则可以得到：
γ(sv) = γ(sl) + γ(lv)cosθ
这里,s是固态,l是液态,v是气态。
所以cosθ = [γ(sv) - γ(sl)]/γ(lv)
2。2 浸润和疏水
当θ充分小的时候,液体就铺展到固体表面了。如果γ(sv) - γ(sl) = γ(lv),θ = 0,那么就叫做完全浸润,也就是液滴一撒上去就完全平铺了。
另一个极端,如果θ充分大,接近于180°时,液滴就接近于小球形状。就像汞落到地上那种感觉。如果γ(sv) - γ(sl) = -γ(lv),那么就完全不浸润,也就是液滴完全成球状,理论上与固体仅有点接触。
实际上,γ(sv) - γ(sl) ＜ -γ(lv)是可以出现的,这个时候θ无解了,也是完全不浸润,也就是液体根本不想碰到固体。
2。3 超疏水材料与荷叶
超疏水材料至少有两种：一种是改变张力的,一种是改变结构的。
先说第一种。如果能做出一种材料,使得γ(sv) - γ(sl) ≤ -γ(lv),那么按照刚才的理论,水落在固体上,会像小球一样滚走。从而实现了超疏水。收起
