Термодинамика поверхностных явлений

 

В дисперсных системах большая часть всех молекул или атомов, составляющих вещество, находится на поверхности раздела фаз. Эти поверхностные молекулы отличаются от молекул, находящихся внутри фазы по своему энергетическому состоянию, что приводит к возникновению избыточной поверхностной энергии. Избыточная поверхностная энергия равна произведению поверхностного натяжения на площадь межфазной поверхности.

Любая термодинамическая система стремиться уменьшить свою поверхностную энергию. Избыточная поверхностная энергия может уменьшиться за счет:

· уменьшения поверхностного натяжения: адсорбция, адгезия, смачивание, образование двойного электрического слоя;

· уменьшения площади поверхности: сферическая форма капель (сглаживание поверхности), объединение частиц (коагуляция, агрегация, коалесценция).

 

Поверхностное натяжение

Физический смысл поверхностного натяжения

Изобразим границу раздела жидкости с ее собственным паром (рис.9.1). На молекулу, находящуюся внутри жидкости, действуют силы взаимного притяжения (силы молекулярного сцепления) со стороны всех окружающих ее соседних молекул. Равнодействующая этих сил

Рис.9.1. Межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости и

на поверхности раздела фаз.

 

равна нулю вследствие симметрии силового поля, и для перемещения молекулы внутри жидкости не требуется затрачивать работу. Это вызвано тем, что в газообразной фазе молекулы удалены друг от друга на большие расстояния, и действующие между ними силы Молекулы, находящиеся на границе раздела фаз, испытывают действие межмолекулярных сил в большей степени со стороны жидкой фазы f₁, чем со стороны газообразной f₂ (f₁ > > f₂). Результирующая сила Р, пропорциональной разности сил (f₁ - f₂), направлена внутрь жидкости. Эта сила, отнесенная к единице поверхности (1 м² или 1 см²), называется внутренним (молекулярным) давлениемp_M.

Молекулярное давление определяется силой сцепления молекул, оно тем выше, чем полярнее вещество. Таким образом, на поверхности любой жидкости существует огромное давление, стремящееся затянуть все молекулы с поверхности внутрь жидкой фазы. Этим объясняется шарообразная форма капель жидкости.

Мы уже сказали, что молекулярные силы стремятся втянуть молекулы поверхностного слоя внутрь фазы. Поэтому, для образования новой поверхности необходимо затратить некоторую работу против сил молекулярного притяжения.

 

Поверхностное натяжение ( ) – работа обратимого изотермического процесса, затраченная на образование единицы площади поверхности раздела фаз (энергетическое определение поверхностного натяжения):

. (9.1)

Знак минус говорит о том, что положительная работа совершается при уменьшении или сокращении поверхности.

 

Силовое определение: поверхностное натяжение – сила, направленная тангенциально (параллельно) к поверхности и приходящаяся на единицу длины периметра, ограничивающего эту поверхность.

Физическая сущность – поверхностные молекулы стремятся уйти вглубь конденсированной фазы, тем самым, сжимая поверхность.

Оба эти определения необходимо рассматривать в единстве. Такое единство энергетического и силового подходов сложилось исторически. Величина поверхностного натяжения была введена в физику задолго до появления понятия энергии и рассматривалась как сила, стягивающая гипотетическую пленку на поверхности жидкости и противодействующая ее растяжению. Силовое определение более справедливо для жидкостей, так как у них одновременно с образованием поверхности молекулы и атомы на ней ориентируются, уплотняются, переходя в равновесное состояние и вызывая тем самым тангенциальное натяжение поверхности.

 

Термодинамическое определение поверхностного

Натяжения

При p и Т=const запишем объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики для гетерогенной системы относительно изменения энергии Гиббса:

, (9.2)

где Т – температура; S^/ – энтропия, р – давление, V – объем, S – площадь поверхности, – поверхностное натяжение, – химический потенциал i-того компонента, n_i – число моль i-того компонента, – электрический потенциал, q – количество электричества.

При постоянных Т, р, n_i и q имеем:

. (9.3)

Поверхностное натяжение есть частная производная от энергии Гиббса по площади поверхности раздела фаз при постоянных: давлении, температуре, числе моль компонентов и заряде.

Так как объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики может быть записано и относительно других термодинамических потенциалов, а именно внутренней энергии U, энергии Гельмгольца (А), и энтальпии (H), то при соответствующих постоянных параметрах получим:

. (9.4)

Поверхностное натяжение – частная производная от любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности при постоянных соответствующих параметрах.

 

 

Предыдущая15161718192021222324252627282930Следующая

Поделиться:

Популярное:

1. Блок 16. Виды связей явлений
2. В чём заключается релятивистская трактовка магнитных явлений?
3. Взаимосвязи общественных явлений, их виды, формы.
4. Восприятием называют психический процесс отражения предметов и явлений действительности в совокупности их различных свойств и частей при непосредствен-
5. Выявлением содержательной стороны экономических процессов и явлений
6. Генезиса, развития и угасания культурных явлений во времени
7. Глава 1 Химическая термодинамика.
8. Глава 11. Статистические методы изучения взаимосвязей социально-экономических явлений
9. Глава 9. ИЗУЧЕНИЕ ДИНАМИКИ ОБЩЕСТВЕННЫХ ЯВЛЕНИЙ
10. Данилевский ввел понятие культурно-исторического типа, при помощи которого он обозначал всю совокупность явлений, характерных для той или иной культуры.
11. Динамика проявлений этапов горя.
12. Дифференциальная диагностика проявлений данного заболевания.