Поверхностная энергия. Поверхностные натяжения.
Поверхностная энергия, также свободная поверхностная энергия, поверхностная энергия Гиббса — термодинамическая функция, характеризующая энергию межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз. Другое определение поверхностной энергии — это потенциальная энергия, которая сосредоточена на межфазной поверхности (границе раздела фаз), необходимая для образования единицы площади поверхности. Является избыточной по сравнению с энергией в объёме, то есть не равной нулю. Единица измерения в системе СИ — Дж/м2.
Существование свободной поверхностной энергии вместе с поверхностным натяжением является причиной возникновения метастабильных состояний (состояний переохлаждения, пересыщения).
Физическое описание
Поверхностная энергия прямо пропорциональна удельной энергии межфазного взаимодействия или поверхностному натяжению σ и удельной площади поверхности раздела фаз S:
G s = σ S {\displaystyle {G_{s}=\sigma S}} .
При бесконечно малом изменении:
d G s = σ d S {\displaystyle {dG_{s}=\sigma dS}}
Свободная поверхностная энергия G s при постоянном давлении совпадает с термодинамической функцией — энергией Гиббса, характеризующей состояние поверхности раздела фаз в гетерогенных системах.
Вследствие зависимости величины Gs от поверхностного натяжения и удельной площади поверхности раздела фаз, все поверхностные явления происходят самопроизвольно, если при этом соблюдается одно из условий:
|
|
|
σ < 0 {\displaystyle {\sigma <0}} ,
либо
S < 0 {\displaystyle {S<0}} ,
либо
Δ G s = Δ σ Δ S < 0 {\displaystyle {\Delta G_{s}=\Delta \sigma \Delta S<0}} .
То есть в соответствии со вторым началом термодинамики — все самопроизвольные процессы происходят с уменьшением энергии системы. В данном случае с уменьшением энергии Gs.
К самопроизвольным процессам, происходящим с уменьшением величины Gs за счёт уменьшения площади поверхности фазы относятся:
· коалесценция — процесс слияния частиц (укрупнения) капель или пузырей внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности какого-либо тела.
· коагуляция и флокуляция — процессы слипания и укрупнения частиц дисперсной фазы.
К самопроизвольным процессам, идущих с уменьшением величины Gs за счёт уменьшения значения поверхностного натяжения σ относятся: смачивание, адгезия, сорбционные процессы и т.д
До сих пор свойства гетерогенных систем описывались с помощью параметров и функций состояния, характеризующих каждую из фаз в целом. Однако свойства участка фазы, примыкающего к её поверхности, отличаются от свойств фазы в объеме: фактически частицы, находящиеся на поверхности каждой фазы, образуют особую поверхностную фазу, свойства которой существенно отличаются от свойств внутренних областей фазы. Частицы, расположенные на поверхности, находятся в другом окружении по сравнению с частицами, находящимися в объеме фазы, т.е. взаимодействуют как с однородными частицами, так и с частицами другого рода. Следствием этого является то, что средняя энергия gs частицы, находящейся на поверхности раздела фаз, отличается от средней энергии такой же частицы в объеме фазы gv (причем энергия частицы на поверхности может быть как больше, так и меньше энергии частицы в объеме). Поэтому важнейшей характеристикой поверхностной фазы является поверхностная энергия Gs – разность средней энергии частицы, находящейся на поверхности, и частицы, находящейся в объеме фазы, умноженная на число частиц на поверхности N:
|
|
|
(IV.1)
(IV.2)
Очевидно, что общая величина поверхностной энергии фазы будет определяться величиной её поверхности S. Поэтому для характеристики поверхности раздела, отделяющей данную фазу от другой, вводится понятие поверхностное натяжение σ – отношение поверхностной энергии к площади поверхности раздела фаз; величина поверхностного натяжения зависит только от природы обеих фаз. Как и поверхностная энергия фазы, поверхностное натяжение может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Поверхностное натяжение положительно, если находящиеся на поверхности частицы взаимодействуют с частицами этой же фазы сильнее, чем с частицами другой фазы (и, следовательно, gs > gv). Согласно принципу минимума свободной энергии, любая фаза будет стремиться самопроизвольно уменьшить свою поверхностную энергию; поэтому в случае положительного поверхностного натяжения (σ > 0) фаза стремится уменьшить свою поверхность. В случае если σ < 0, поверхностная энергия фазы будет уменьшаться при увеличении площади поверхности.
|
|
|
Влияние поверхностного слоя фазы на её общие свойства определяется долей частиц, находящихся на поверхности, от общего числа составляющих данную фазу частиц, т.е. величиной удельной поверхности фазы S/V (поверхности, приходящейся на единицу объема). Свободную энергию фазы G можно представить как сумму поверхностной Gs и объемной Gv энергий, пропорциональных соответственно площади поверхности и объему фазы:
(IV.3)
Разделив это выражение на объем фазы, получаем:
(IV.4)
|
|
|
Из уравнения (IV.4) следует, что при одном и том же количестве фазы (т.е. неизменном объеме) вклад поверхностной энергии в общую энергию фазы возрастает с увеличением удельной поверхности или, иначе говоря, степени дисперсности (раздробленности) фазы. В случае, когда степень дисперсности фазы невелика (удельная поверхность незначительна), вкладом поверхностной энергии в полную энергию фазы обычно пренебрегают. Вклад поверхностного слоя в свойства фазы и системы в целом учитывают при изучении дисперсных систем – гетерогенных систем, одна из фаз которой является сплошной (дисперсионная среда), а другая – раздробленной (дисперсная фаза).
На границе конденсированной (т.е. твердой или жидкой) фазы с газом поверхностное натяжение всегда положительно, поскольку частицы конденсированной фазы взаимодействуют друг с другом сильнее, чем с молекулами газа. Согласно принципу минимума свободной энергии, конденсированная фаза будет стремиться самопроизвольно уменьшить свою поверхностную энергию. Это может быть результатом либо уменьшения площади поверхности фазы (именно поэтому капля жидкости в невесомости принимает форму сферы), либо уменьшения поверхностного натяжения при появлении на поверхности раздела фаз новых частиц – молекул газа либо растворенного вещества. Процесс самопроизвольного изменения концентрации какого-либо вещества у поверхности раздела двух фаз называется адсорбцией. Адсорбентом называется вещество, на поверхности которого происходит изменение концентрации другого вещества – адсорбата.
Поверхностным натяжением - величиной, характеризующей энергию единицы поверхности. Поверхностное натяжение определяет резкость перехода от одной фазы к другой, различие между соприкасающимися фазами.
Поверхностное натяжение ( σ) – это работа обратимого изотермического образования единицы новой дополнительной поверхности, состоящей из активных молекул. Эта поверхность является реальным материальным объектом.
Т.к. поверхностное натяжение обусловлено нескомпенсированным полем межмолекулярных сил на межфазной поверхности, его также можно рассматривать как удельное значение поверхностной энергии. Запишем термодинамическое определение поверхностного натяжения:
(VIII.1)
т. е., поверхностное натяжение есть частная производная от энергии Гиббса по площади поверхности раздела фаз при постоянных температуре, давлении и числе молей компонентов.
Поверхностное натяжение – это работа равновесного изотермического процесса создания единицы площади новой поверхности.
Часто поверхностное натяжение определяют как силу, действующую тангенциально к поверхности раздела фаз на единицу длины периметра этой поверхности.
В системе единиц СИ поверхностное натяжение измеряется в Дж/м2, мДж/м2 или Н/м, в системе СГС единицами измерения поверхностного натяжения являются зрг/см2 или дин/см:1 Дж/м2 = 1000 эрг/см2,1 мДж/м2 = 1 эрг/см2.
Произведение поверхностного натяжения s на площадь поверхности S дает поверхностную энергию:
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 405; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!