表面能- 維基百科，自由的百科全書

表面能（英語：Surface energy）是創造物質表面時，破壞分子間作用力所需消耗的能量。

在固體物理理論中，表面原子比物質內部的原子具有更多的能量，因此，根據能量最低 ... 表面能 維基百科，自由的百科全書 跳至導覽 跳至搜尋 此條目需要編修，以確保文法、用詞、語氣、格式、標點等使用恰當。

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（幫助、討論） 接觸角測量可以用來計算材料的表面能 表面能（英語：Surfaceenergy）是創造物質表面時，破壞分子間作用力所需消耗的能量。

在固體物理理論中，表面原子比物質內部的原子具有更多的能量，因此，根據能量最低原理，原子會自發的趨於物質內部而不是表面。

表面能的另一種定義是，材料表面相對於材料內部所多出的能量。

把一個固體材料分解成小塊需要破壞它內部的分子間作用力，所以需要消耗能量。

如果這個分解的過程是可逆的，那麼把材料分解成小塊所需要的能量就和小塊材料表面所增加的能量相等。

但事實上，只有在真空中剛剛形成的表面才符合上述能量守恆。

因為新形成的表面是非常不穩定的，它們通過表面原子重組和相互間的反應，或者對周圍其他分子或原子的吸附，從而使表面能量降低。

目次 1表面能的測定 1.1通過接觸角測量來測量表面能 1.2測量固體的表面能–其他方法 1.3計算變形固體的表面能 1.4計算結晶固體的表面形成能 1.5從升華熱估算表面能 2界面能 3潤濕性 3.1傳播參數 3.2接觸角 3.3高能和低能底物的潤濕 4表面能改性技術 5開爾文方程 6塗料的表面改性顏料 7常用表面能值表 8瀏覽更多 9參考資料 10參閱 表面能的測定[編輯] 通過接觸角測量來測量表面能[編輯] 測量表面能的最常見方法是通過接觸角實驗。

[1]在這種方法中，用幾種液體（通常是水和二碘甲烷）測量表面的接觸角。

基於接觸角的結果和已知道液體的表面張力，可以計算表面能。

實際上，這種分析是通過接觸角儀自動完成的。

[2] 有幾種不同的模型可根據接觸角讀數計算表面能。

[3]最常用的方法是OWRK，它需要使用兩種探測液，並給出總的表面能並將其分為極性和分散成分。

接觸角法是一種簡單的表面能測量方法，因為它具有簡便性，適用於各種表面以及快速的特性。

測量可以完全自動化並且是標準化的。

[4] 測量固體的表面能–其他方法[編輯] 液體的表面能可以通過拉伸液體膜來測量（這增加了表面積並因此增加了表面能）。

在那種情況下，為了使一定量的液體的表面積增加δA，需要功的量γδA（其中，γ是液體的表面能密度）。

但是，這樣的方法不能用於測量固體的表面能，因為固體膜的拉伸除了增加表面能之外，還會在主體中誘發彈性能。

固體的表面能通常在高溫下測量。

在這樣的溫度下，固體潛變，即使表面積改變，體積也保持大致恆定。

如果γ是半徑為r和長度為l的圓柱棒在高溫和恆定單軸張力P下的表面能密度，則在平衡時，總亥姆霍茲自由能的變分法消失，可以得到 δ F = − P   δ l + γ   δ A = 0 ⟹ γ = P δ l δ A {\displaystyle\deltaF=-P~\deltal+\gamma~\deltaA=0\quad\implies\quad\gamma=P{\frac{\deltal}{\deltaA}}} 其中F是亥姆霍茲自由能，A是棒的表面積： A = 2 π r 2 + 2 π r l ⟹ δ A = 4 π r δ r + 2 π l δ r + 2 π r δ l {\displaystyleA=2\pir^{2}+2\pirl\quad\implies\quad\deltaA=4\pir\deltar+2\pil\deltar+2\pir\deltal} 而且，由於杆的體積（V）保持恆定，所以體積的變化（δV）為零，即： V = π r 2 l  isconstant ⟹ δ V = 2 π r l δ r + π r 2 δ l = 0 ⟹ δ r = − r 2 l δ l   . {\displaystyleV=\pir^{2}l{\text{isconstant}}\quad\implies\quad\deltaV=2\pirl\deltar+\pir^{2}\deltal=0\quad\implies\quad\deltar=-{\frac{r}{2l}}\deltal~.} 因此，表面能密度可以表示為： γ = P l π r ( l − 2 r )   . {\displaystyle\gamma={\frac{Pl}{\pir(l-2r)}}~.} 可以通過在平衡狀態下測量P，r和l來計算固體的表面能密度。

該方法僅在固體是各向同性的情況下才有效，這意味著所有晶體學取向的表面能都相同。

儘管這僅對非晶態固體（玻璃）和液體嚴格適用，但各向同性是許多其他材料的良好近似值。

特別是，如果樣品是多顆粒的（大多數金屬）或通過粉末燒結製成的（大多數陶瓷），則這是一個很好的近似值。

在單晶材料（例如天然寶石）的情況下，表面能的各向異性會導致切面。

晶體的形狀（假設熱力學平衡生長條件）與伍爾夫構型（Wulffconstruction）的表面能有關。

因此，通過測量刻面的相對尺寸，可以發現刻面的表面能在比例常數內。

計算變形固體的表面能[編輯] 在固體變形中，表面能可被視為「產生一個單位表面積所需的能量」，並且是變形前後系統總能量之差的函數： γ = 1 A ( E 1 − E 0 ) {\displaystyle\gamma={\frac{1}{A}}\left(E_{1}-E_{0}\right)} . 根據從頭計算法（例如密度泛函理論）計算表面能是測量的另一種方法。

表面能根據以下變量估算： d波段的寬度，d價電子數量以及固體表面和主體中原子的配位數。

[5] 計算結晶固體的表面形成能[編輯] 在密度泛函理論中，可以根據以下表達式計算表面能: γ = E slab − N E bulk 2 A {\displaystyle\gamma={\frac{E_{\text{slab}}-NE_{\text{bulk}}}{2A}}} 其中 Eslab是使用密度泛函理論獲得的表面平板的總能量。

N是表面平板中的原子數。

Ebulk是每個原子的總能量。

A是表面積。

對於一個平板，有兩個曲面，它們是同一類型，這在分母中用數字2來表示。

為了保證這一點，需要仔細創建樓板，以確保上下表面的類型相同。

粘合接觸的強度取決於粘合功，也稱為兩個接觸體的相對表面能。

[6]相對表面能可以通過將由一種材料製成的形狀明確的物體與由第二材料製成的基板分離來確定。

[7]例如，「有機玻璃-明膠」界面的相對表面能等於0.03N/m。

在視頻中可以看到用於測量相對表面能及其功能的實驗裝置。

[8] 從升華熱估算表面能[編輯] 為了保證估算的準確，均勻材料的表面能，可以將材料的單個分子成分建模為立方體。

需要能量將立方體從大部分材料中移動到表面。

能源成本被納入材料的表面能，可以通過以下方式量化： 多維數據集模型。

立方體模型可用於對純淨，均勻的材料或單個分子成分進行建模，以估計其表面能。

γ = ( z σ − z β ) W AA 2 a 0 {\displaystyle\gamma={\frac{\left(z_{\sigma}-z_{\beta}\right){\frac{W_{\text{AA}}}{2}}}{a_{0}}}} 其中zσ和zβ是與材料的表面和主體區域相對應的配位數，分別等於5和6；a0是單個分子的表面積，WAA是成對的分子間能。

可以通過對分子體積的立方根求平方來確定表面積： a 0 = V molecule 2 3 = ( M ¯ ρ N A ) 2 3 {\displaystylea_{0}=V_{\text{molecule}}^{\frac{2}{3}}=\left({\frac{\bar{M}}{\rhoN_{A}}}\right)^{\frac{2}{3}}} 此處，M̄對應於分子的摩爾質量，ρ對應於密度，NA是阿伏伽德羅數。

為了確定成對的分子間能量，必須破壞材料中的所有分子間力。

這樣可以更全面的研究單個分子發生的相互作用。

在物質升華過程中，分子之間的分子間作用力被破壞，導致材料從固體變為氣體。

因此，在確定成對的分子間能時，考慮到升華焓是有用的。

升華焓可以通過以下公式計算： Δ sub H = − W AA N A z b 2 {\displaystyle\Delta_{\text{sub}}H={\frac{-W_{\text{AA}}N_{A}z_{b}}{2}}} 使用經驗表式的升華焓值，可以確定成對的分子間能量。

將該值結合到表面能方程中可以估算表面能。

下列方程式可以用作表面能的合理估計： γ ≈ − Δ sub H ( z σ − z β ) a 0 N A z β {\displaystyle\gamma\approx{\frac{-\Delta_{\text{sub}}H\left(z_{\sigma}-z_{\beta}\right)}{a_{0}N_{A}z_{\beta}}}} 界面能[編輯] 界面的存在通常會影響系統的所有熱力學參數。

有兩種常用的模型來演示界面現象：Gibbs理想界面模型和Guggenheim模型。

為了使用吉布斯模型演示界面系統的熱力學，該系統可以分為三個部分：兩種具有體積Vα和Vβ的不混溶的液體，以及一個無限薄的邊界層，稱為Gibbs劃分平面（σ），將這兩個體積分開。

Guggenheim模型。

擴展相（σ）將兩個相α和相β分開。

Guggenheim考慮到擴展的界面區域的體積，這不像Gibbs模型的實用。

系統的總容量為： V = V α + V β {\displaystyleV=V_{\alpha}+V_{\beta}} 系統的所有擴展量都可以寫為三個組成部分的總和：體相α，體相β和界面σ。

一些示例也包括內部能量U，第i個物質ni的分子數和熵S。

U = U α + U β + U σ N i = N i α + N i β + N i σ S = S α + S β + S σ {\displaystyle{\begin{aligned}U&=U_{\alpha}+U_{\beta}+U_{\sigma}\\N_{i}&=N_{i\alpha}+N_{i\beta}+N_{i\sigma}\\S&=S_{\alpha}+S_{\beta}+S_{\sigma}\end{aligned}}} 儘管這些量在每個組件之間可以變化，但是系統內的總和保持恆定。

在界面上，這些值可能會與本體階段中存在的值有所不同。

界面處存在的分子濃度可以定義為： N i σ = N i − c i α V α − c i β V β {\displaystyleN_{i\sigma}=N_{i}-c_{i\alpha}V_{\alpha}-c_{i\beta}V_{\beta}} 其中ciα和ciβ分別代表物質i在本體相α和β中的濃度。

Gibbs模型。

Gibbs模型假定接口是理想的（無體積），因此系統的總體積僅包含alpha和beta兩相。

定義一個新的術語界面過量Γi是有益的，因此可以描述每單位面積的分子數量： Γ i = N i α A {\displaystyle\Gamma_{i}={\frac{N_{i\alpha}}{A}}} 潤濕性[編輯] 傳播參數[編輯] 表面能在潤濕現象中起作用。

要對此進行檢查，請考慮在固態基材上滴一滴液體。

如果基材的表面能在添加液滴後發生變化，則稱基材潤濕。

擴頻參數可用於數學確定： S = γ s − γ l − γ s-l {\displaystyleS=\gamma_{\text{s}}-\gamma_{\text{l}}-\gamma_{\text{s-l}}} 其中S是擴展參數，γs是基底的表面能，γl是液體的表面能，γs-l是基底和液體之間的界面能。

若S<0，則液體會部分潤濕基材。

若S>0，則液體將基板完全潤濕。

[9] 接觸角：非潤濕，潤濕和完美潤濕。

接觸角是連接固液界面和液氣界面的角度。

接觸角[編輯] 實驗確定潤濕性的一種方法是查看接觸角（θ），即連接固液界面和液氣界面的角度（如圖所示）。

若θ=0°，則液體會完全潤濕基材。

若0°