表面能

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介紹

表面能是勢能，適用於液體分子，其中分子與液體物質位於同一表面。當分子試圖沉降到液體表面的底層時，表面能通常會降低。在表面能的情況下，固體材料和表面之間通常同時存在等效的吸引力。

什麼是表面能？

表面能可以定義為一種能量，其中固體分子和表面分子之間存在等效的吸引力。表面能通常會發生高低變化。根據表面能的特性，它無法被測量，因為它是在表面分子和固體分子之間即時相互作用過程中產生的 (Darwish 等人，2022)。

在表面能的情況下，液體的表面通常被稱為拉伸膜。在表面能的產生過程中，表面在存在於液體表面時會儲存一些勢能。在這種情況下，表面能被稱為表面自由能。

圖片即將推出

表面能也可以描述為量化固體或液體表面多餘能量的度量。這種能量通常用於材料之間的粘合和潤溼過程。儘管它可以量化這些過程，但並非每次都能進行定量測量。

在塊狀材料中，原子通常在彼此之間產生相互作用和鍵合時處於平衡和穩定狀態。在此過程中，表面能作為相對測量值在表面和材料之間產生。在大多數情況下，表面能不利於完全鍵合，並且在大多數情況下，它們會導致表面和材料之間在即時情況下發生不完全鍵合。

例如，如果將金屬球扔到某個表面上，由於地心引力的作用，它會產生表面能。在這種情況下，當產生表面能時，它也會同時釋放表面張力。像玻璃、金屬、陶瓷和材料之類的材料表面會產生表面能，因為它們在原子之間相互作用方面具有更強的鍵合力。

例如，離子鍵、金屬鍵和共價鍵能夠即時產生表面能。

表面能公式

表面能以 N/m 的 SI 單位表示，其量綱為 $\mathrm{[MT^{-2}]}$。在某些情況下，表面能也以 $\mathrm{mJ/M^{2}}$ 的單位測量。例如，玻璃的表面能為 83.4 $\mathrm{mJ/M^{2}}$，水的表面能為 73 $\mathrm{mJ/M^{2}}$，銅的表面能為 1650 $\mathrm{mJ/M^{2}}$，鉛的表面能為 442 $\mathrm{mJ/M^{2}}$。

表面能的量綱公式為 $\mathrm{[M^{1}L^{0}R^{-2}]}$。這裡，M 表示材料的質量，L 表示材料的長度，T 表示時間。例如，如果表面能的推導是表面能 (E) = 能量 $\mathrm{\times [面積]^{-1}...(1)}$，則能量將等於 $\mathrm{力\:\times \:位移=m\times a\times x\:位移}$。然後，能量將為 $\mathrm{[M^{1}\times M^{0}L^{1}T^{-2}\times L^{1}]}$。之後，當應用量綱公式時，方程式處於能量 = $\mathrm{[M^{1}L^{2}T^{-2}]...(2)}$。

則量綱公式將為 $\mathrm{[M^{0}L^{0}T^{0}]...(3)}$。因此，表面能的量綱表示將為 $\mathrm{[M^{1}L^{2}T^{-2}]}$。

表面能和表面張力之間的關係

表面能和表面張力相互關聯，基於物體即時接觸特定表面的可能性。數學上，它們透過以下公式相關聯：

$$\mathrm{表面能=能量/面積=焦耳/米^{2}=牛頓\times 米/米^{2}=力/長度=表面張力}$$

因此，它概述了在表面能的產生過程中，能量除以面積，然後等於焦耳除以質量，然後是牛頓乘以質量。這裡，力除以長度，最終與表面張力相關。

例如，如果取一個矩形線框並將其浸入肥皂溶液框架中，則在此操作過程中將產生兩個表面。讓我們假設 T 表示肥皂溶液，L 表示線框。

因此，表面和導線之間的施加力將為 T $\mathrm{\times}$ L，因此總力將為導線 = 2TL。在這個實驗中，表面薄膜同時經歷表面能和表面張力

結論

表面能通常存在於材料的最外層區域，其中原子沒有與附近的原子鍵合。這通常發生是因為鍵合的原子包圍了原子的物理結構。但是，在接觸表面之前，材料的分子會裂開並破壞材料外端的原子。

常見問題

問1. 哪個力導致表面能的產生？

答：液體分子中的內聚力主要負責表面能的產生。在這裡，當在新表面內產生每單位面積的功時，就會形成表面能。

問2. 哪些因素最影響表面能？

答：將固體切割成碎片最能影響表面能的形成。當它被切割成碎片時，它們會破壞鍵並增加表面積，最終在此過程中增加表面能。

問3. 哪個即時材料具有最高的表面能？

答：金屬是一種具有高表面能的即時材料，因為它們能夠在不同的環境條件和溫度下表現良好。