2. Межфазная поверхность, ее силовое поле. Поверхностное натяжение как характеристика этого поля

На межфазной поверхности существует поле нескомпенсированных межмолекулярных сил из-за различия в составе и структуре контактирующих фаз, избыточные значения плотностей термодинамических функций, их “сгущение”.

Межфазная поверхность – конечный по толщине слой, в котором свойства и термодинамические функции отличаются от таковых в объеме.

Молекулы, прилегающие к поверхности по энергетическому состоянию отличны от находящихся в объеме. Для внутренних молекул равнодействующая всех межмолекулярных взаимодействий равна нулю, а для поверхностных молекул она направлена перпендикулярно поверхности внутрь фазы с большим межмолекулярным взаимодействием. Поверхностные молекулы втягиваются в глубь жидкости и возникает внутреннее давление. Следствием этого является поверхностное натяжение – важная характеристика поверхности. Существует две трактовки σ – силовая и энергетическая:

Силовой подход

Энергетический подход

Основываясь на законах механики, величину σ рассматривают как следствие внутреннего давления и в частности как силу, приложенную к единице длины контура на поверхности раздела, стремящуюся сократить эту поверхность или препятствующую растяжению. Величина σ – мера стремления поверхности к сокращению, следствие межмолекулярных сил. Отсюда: – сила, приложенная к единице длины контура поверхности раздела фаз, действующая перпендикулярно контуру и тангенциально (вдоль) поверхности.

Если мы осуществляем увеличение поверхности (например, диспергирование), то необходимо вывести молекулы из объема на поверхность s. Надо совершить работу против рвн. Она тем больше, чем больше рвн, и мера этой работы – величина σ. Если осуществлять обратимый процесс увеличения площади поверхности s на величину ds, то полезная работа будет равна: . В обратимом процессе полезная работа максимальна и равна изменению энергий Гиббса или Гельмгольца, взятых с обратным знаком. Тогда σ можно представить в виде: и В общем случае σ – частная производная любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности.

Единство энергетического и силового подходов демонстрирует опыт Дюпре:

На проволочной рамке (рис. а) образуем мыльную пленку. Нижняя сторона рамки – подвижная и, если ничем не нагружена, поднимается вверх из-за стремления пленки сократиться, т. е. На рамку действует сила поверхностного натяжения F_п. Эту силу можно уравновесить грузиком весом Р = F_п. При увеличении веса груза на бесконечно малую величину происходит перемещение подвижной стороны рамки на dh (рис. б). Груз при этом совершает работу против силы F_п:

.

Одновременно из-за увеличения поверхности пленки возрастает поверхностная энергия:

(коэффициент 2 учитывает двусторонность пленки).

Так как , получаем: .

Таким образом, величина σ может рассматриваться не только как удельная поверхностная энергия, но и как сила, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность.

• Заметим также, что сила поверхностного натяжения F_п имеет ту же природу, что и показанная ранее равнодействующая сил, приложенных к поверхностным молекулам, но направлена не перпендикулярно поверхности, а вдоль нее (тангенциально к поверхности). Это хорошо видно из модели Дюпре. Именно такое направление силы F_п и означает стремление к уменьшению площади поверхности.