功的概念来自于力学理论。力学中功为力乘以位移,即F×dl。这是所谓的机械功。在热力学讨论中将功的范围扩大了,依据做功的方式不同,有了热力学中各式各样的功。例如气体因对抗环境压力P而膨胀了一定体积dV,气体做了膨胀功PdV;将讨论液体液面面积扩大一定的面积dA时我们做了表面功σdA;一个电池在外电势E下输送了一定的电荷dZ,这个电池作了电功EdZ,等等此类。而这些功的计算方式有一个共性,即功应为强度参数乘以广度参数。由此,在热力学中定义所讨论的功为广义力Yi乘以广义位移Xi,即广义功δW=Yi×dXi。
经典热力学中所讨论的功均不是状态性能,不能用全微分来表示功的微量变化。这是经典热力学中讨论的功的第一个性质。
功的这个性质意味着功不是体系性质。正如傅鹰著作中所指出的:“说‘体系有若干功’是没有意义的。但可以使用‘环境对体系做了多少功’或‘体系得了多少功’之类的说法”。
功的另一个性质是体系做功之后成者环境对体系做功之后体系的状态会发生变化,也就是表示体系状态的一些宏观性质,即热力学参数会发生变化。例如气体膨胀后体系的压力和体积皆会与膨胀前不同;电池放电以后,其化学成分会发生变化等等。在热力学中称凡是为改变系统宏观状态所作之功皆叫做外功。但有时体系的一部分对另一部分做功。例如气体膨胀后,分子间的距离会有增加。分子间存在有相互吸引力,如将分子分开当然需要做功,因为此种类型功只影响微观状态,故称做内功。
这是功的第二个性质,这个性质表明,功有外功和内功之分,一般热力学中所讨论的皆是外功。这一性质对界面化学理论研究应有一定关系。
众所周知,产生表面现象的微观原因是因为物理界面的存在,致使讨论系统表面层内出现不均匀的分子作用力场,从而在表面层内产生分子压力,从当前研究的情况可了解到这一分子压力数值很大,被称作分子内压力。这一压力必然会对表面做功,这个功亦属膨胀功。由上述讨论可知,这个膨胀功由于是由微观的分子内压力所做,故而似乎应归属于内功,非属经典热力学讨论的范畴。确实以往的界面化学著作中对表面区内分子不均作用力场都会提及,但在界面热力学讨论中却都不给予考虑正是这一原因。
但是分子内压力所做的“内功”会使表面层发生变化,而这一变化包含着使表面层内除温度外,内能、压力、体积等一切宏观状态参数都发生了变化,即,使表面层内一切宏观性质均不同手相内区的相应参数。并且还使表面层内多了一个宏观性质——表面张力。而本来表面区与相内区由于是同属一相,它们所有的宏观参数均应该是相同的。因而这一微观分子内压力所做功是为了改变讨论系统表面区的宏观状态而做的功,从这一角度来讲,这个功不应认为是内功,而应认为是外功,应该在热力学理论中有其一席之地。在这里进行分子界面热力学讨论时将试着引入这一分子内压力所做的膨胀功。
功的第三个性质是当恒定了完成功的过程的途径,如果规定的途径合适的话,所做功的数值就有可能像状态参数那样,仅取决于讨论过程的始、终态。可以用全微分的形式考虑功的变化。例如,我们规定热力学的途径为绝热过程,已知绝热过程中所做的功应为讨论系统内能的变化。即W绝热=UB-UA。由于内能是状态参数,则dU应是全微分。现dW绝热=dU,故而如果热力学过程是绝热过程的话,则这一过程所做的功的变化可以以全微分表示。
热力学功的第三个性质与界面化学理论中表面功的计算有关。表面功亦是热力学功的一种,其强度性质是表面张力,其广度性能为面积,因此按热力学广义功的定义,表面功应为:
WS=σ×A [2-1-4]
影响表面功的因素现已清楚,凡影响表面张力的各项热力学参数,如温度、压力、面积、曲率、物质的数量和成分均对表面功有影响,但因为功不是状态参数,不能以全微分表示表面功的变化。
现在我们给讨论的热力学过程规定下途径,规定讨论的是等温、等压过程。已知热力学基本关系式Gibbs自由能为:
在恒温恒压下:
由上式可知在恒温恒压条件下,系统内所完成的功应等于系统Gibbs自由能的变化。而Gibbs自由能为状态参数,dG应为全微分。故而在这样条件下所做的表面功可以全微分计算。同理,在这样条件下由分子内压力所做的膨胀功亦可以使用全微分进行计算。
各种功中与界面化学理论相关的是表面功和分子内压力所做的膨胀功。表面功在经典界面化学中已讨论得很多了。而分子内压力所做的膨胀功在经典界面化学中还不熟悉。为此,在此对此膨胀功多作一些介绍。
分子内压力所做的膨胀功与经典热力学中膨胀功相比有以下特点:
首先,经典热力学中膨胀功多是气态物质的膨胀功,而分子内压力是对凝聚态物质,液体和固体所做的膨胀功。
其次经典热力学中膨胀功一般讨论的压力范围不十分大,压力不太高。而分子内压力从目前已经了解的知识来看,其压力很高,因此是高压下完成的膨胀功。
最后,物质出现物理界面,即会出现分子内压力,在界面层中出现分子内压力后,才会对界面层施压使界面层体积变化,完成分子内压力的膨胀功,这一过程应是恒温、恒压(恒定环境外压力和恒定分子内压力)过程。