Н. Каразина С. В
ГЛАВА 6. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
жүктеу/скачать 1,02 Mb.
|
ГЛАВА 6. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯИЗБЫТОЧНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ Основные и наиболее характерные свойства коллоидных систем обу- словлены особым состоянием вещества на границах раздела фаз. Состоя- ние, в котором находится вещество вблизи межфазной границы, отлича- ется от его состояния в глубине фазы. Молекулы вещества, расположен- ные в непосредственной близости от поверхности раздела фаз, одновре- менно взаимодействуют с молекулами, находящимися в разных фазах. Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия определяются видом взаимодействующих молекул и расстоянием между ними, то равнодейст- вующая этих сил внутри однородной фазы равна нулю, тогда как для мо- лекул, находящихся в поверхностном слое, – нет. Рассмотрим поверх- ность раздела вода- воздух (рис. 6.1). Так как плотность газа значи- тельно ниже плотности жидкости, то и интен- сивность межмолекуляр- ного взаимодействия на границе раздела будет слабее. Вследствие этого равнодействующая меж- молекулярных сил будет газ жи д к о с т ь Рис. 6.1. Межмолекулярные взаимодействия внутри жидкой фазы и на границе раздела с га- зом (стрелками показано направление силы при- тяжения отдельных молекул). направлена внутрь жидкости и молекулы поверхностного слоя будут втя- гиваться в глубину жидкой фазы, при этом можно говорить, что система обладает избыточной поверхностной энергией и стремится к уменьшению площади межфазной поверхности. Силу, действующую на единицу длины контура поверхности раздела и направленную по касательной к поверх- ности, называют поверхностным натяжением, F l . При созданиии новой поверхности раздела с площадью s необходимо затратить работу против сил межмолекулярного взаимодействия, поэтому поверхностное натяжение можно определить и как величину, равную работе создания единицы поверхности, A s . Таким образом, уравнение для внутрен- ней энергии системы и других термодинамических потенциалов необхо- димо дополнить слагаемым, учитывающим избыточную поверхностную Для систем с большой удельной поверхностью энергию. С учетом поверхностной энергии выражение для внутренней энергии каждой фазы в гетерогенной системе будет иметь вид: dU TdS pdV idni ds . (6.1) Тогда поверхностное натяжение можно определить как частную произ- водную от внутренней энергии фазы по площади межфазной поверхности при постоянстве энтропии, объема и числа молей компонентов. Анало- гичные выражения можно записать и для других термодинамических по- тенциалов. Так как приращения термодинамических потенциалов являют- ся полными дифференциалами, то поверхностное натяжение можно представить как частную производную потенциала по площади межфаз- ной поверхности, то есть как изменение термодинамического потенциала фазы при образовании единицы поверхности при постоянстве числа мо- лей компонентов и естественных переменных потенциала: U H F G . (6.2) s s s s S ,V ,ni S , p,ni T ,V ,ni T , p,ni Единицы измерения поверхностного натяжения в системе СИ [] = Дж/м2 = Н/м, что соответствует определению этой величины как энергии образования единицы поверхности или как силы, действующей на едини- цу длины. При термодинамическом описании поверхностных являний исполь- зуют два метода:
Метод избыточных величин Гиббса. По этому методу принимается, что поверхностный слой – это неоднородный тонкий слой, разделяющий объемные фазы и обладающий конечной толщиной и объемом, а объем- ные фазы рассматриваются как однородные вплоть до границы раздела. Такая система отличается от реальной тем, что в ней свойства системы в области поверхности раздела изменяются скачкообразно, тогда как в ре- альной системе наблюдается некоторая сглаженность перехода от одной фазы к другой. В качестве параметра, характеризующего свойство по- верхностного слоя, рассматривают разность свойств такой идеализиро- ванной и реальной систем, называемую избыточной термодинамической величиной; при отнесении ее к площади поверхности раздела получают удельную поверхностную величину. Например, энергия Гиббса двухфаз- ной системы, изображенной на рис. 6.2 равна сумме энергий Гиббса од- нородных объемных фаз ( G1 и G2 ) и энергии Гиббса поверхностного слоя, расположенного между точками х1 и х2. В идеализированной систе- ме фазы будут однородными вплоть до разделяющей плоскости, прохо- дящей через точку х. Избыточная поверхностная энергия Гиббса системы определяется разностью жүктеу/скачать 1,02 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|