Основы термодинамики поверхностного слоя
Во введении отмечалось, что коллоидные системы обладают сильно развитой поверхностью раздела между фазами. В поверхностном или межфазном слое молекулы принадлежат обеим фазам, они контактируют не только с себе подобными, но и с молекулами другой фазы. Поэтому вещество в поверхностном слое находится в особом состоянии, и необходимо определить вклад поверхностного слоя термодинамические свойства всей системы. Для этого необходимо рассмотреть свойства и состав поверхностных слоев, поверхностную энергию, и другие термодинамические функции. При таком рассмотрении будем иметь в виду, что основные положения термодинамики объемных фаз применимы и к термодинамике поверхностного слоя.
Рис. 2.1. Простейшая гетерогенная система.
Рассмотрим гетерогенную систему, состоящую из трех частей: фазы 
, фазы 
и поверхностного слоя 
. Между двумя объемными фазами и образуется поверхностный или граничный межфазный слой. Толщина этого слоя равна 
. Поверхностный слой является переходной областью от одной фазы к другой: он имеет одну часть в первой фазе, в другую - во второй.
Отметим, что фазы и однородны на всем протяжении, тогда как межфазный слой неоднороден.
Рассмотрим основные отличия свойств поверхностного слоя от свойств объемных фаз и причины этих отличий.
1. Первое отличие межфазного слоя от объемных фаз состоит в том, что внутренняя энергия слоя отличается от внутренней энергии объемных фаз, т. к. в каждой фазе взаимодействуют молекулы одного сорта, а в поверхностном слое взаимодействуют разные молекулы.
|
|
|
2. Взаимодействие молекул в поверхностном слое происходит в несимметричном силовом поле. Равнодействующая межмолекулярных сил, действующая на молекулу, находящуюся в поверхностном слое, не равна нулю. Поэтому молекулы стремятся уйти с поверхности в объем, и наоборот, при увеличении поверхности происходит вывод молекул из объема на поверхность, при этом затрачивается работа против межмолекулярных сил 
. Эта работа равна увеличению свободной поверхностном энергии 
. Таким образом, в поверхностно слое происходит сгущение, увеличение свободной поверхностной энергии 
, 
. Следовательно, плотность свободной энергии в объемных фазах и поверхностном слое различна.
Рис.2.2. Межмолекулярные взаимодействия в объеме и на поверхности.
3. Вследствие избытка свободной поверхностной энергии происходит изменение концентрации компонентов в поверхностном слое. Это изменение может быть как положительным, так и отрицательным. Состав поверхностного слоя отличается от состава объемных фаз 
. В поверхностном слое концентрируется компонент, уменьшающий избыток свободной поверхностной энергии.
|
|
|
4. Значения энтропии поверхностного слоя и объемных фаз различны 
. При контакте газа с жидкостью или твердым телом поверхностный слой разрыхлен. На поверхности жидкости постоянно протекают процессы испарения и конденсации. Среднее время жизни молекулы воды на поверхности составляет 10-7 сек. Из-за возможности выхода молекул в менее плотную фазу их число степеней свободы увеличено, поэтому 
.
При контакте жидкости с твердым телом происходи ориентация молекул жидкости, энтропия уменьшается 
. Таким образом, поверхностный слой характеризуется избытком термодинамических свойств, который может быть как положительным, так и отрицательным.
Рис. 2.3.
Дата добавления: 2015-12-18; просмотров: 260; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!