Лекция № 06 - 07

Поверхностные явления

поверхностным явлениям относят те эффекты и особенности поведения веществ, которые наблюдаются на поверхностях раздела фаз. Причиной поверхностных явлений служит особое состояние молекул в слоях жидкостей и твёрдых тел, непосредственно прилегающих к поверхностям раздела фаз.

Рассмотрим систему, состоящую из жидкости и газа. Силы межмолекулярного взаимодействия внутри жидкости F_1,1 больше сил взаимодействия между молекулами газа F_2,2.

Если молекула А находится внутри жидкости, то на неё со всех сторон действуют силы взаимодействия таких же молекул. Эти силы уравновешивают друг друга.

Если же, например, молекула В находится на поверхности жидкости, т.е. на межфазной поверхности, то с одной стороны на неё действуют силы взаимодействия таких же молекул, а с другой – молекул газа. Поскольку силы F_1,1 › F_2,2, возникает результирующая сила Р, направленная в глубь жидкости. Эта сила вталкивает молекулу “В” в глубь жидкости. Эту силу часто называют ВНУТРЕННИМ ДАВЛЕНИЕМ. Под внутренним давлением жидкости понимают силу притяжения между молекулами жидкости в её объёме. Для этой силы можно записать:

Р = F_1,1 - F_2,2

Чем сильнее различаются силы F_1,1 и F_2,2 , тем больше Р. Величина внутреннего давления жидкостей, особенно полярных, очень велика, порядка 10 ⁸ Па.

Для создания единицы площади поверхности жидкости надо совершить работу, преодолеть силу внутреннего давления и совершить работу. Если увеличение площади поверхности производится при постоянных давлении и температуре (изобарно-изотермический процесс) или при постоянных давлении и температуре (изохорно-изотермический процесс), то такое увеличение площади поверхности сопровождается увеличением поверхностной энергии системы (энергии Гиббса).

Бесконечно малое изменение поверхностной энергии Гиббса с изменением величины поверхности при постоянных р и Т равно

dG = σdS

где dS – бесконечно малое изменение площади поверхности; σ – коэффициент поверхностного натяжения.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (σ) является важной характеристикой поверхности. Оно характеризует избыток поверхностной энергии, приходящейся на 1 м² межфазной поверхности.

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (σ) РАВНО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ ОБРАТИМОЙ, ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ РАБОТЕ, КОТОРУЮ НАДО СОВЕРШИТЬ, ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ ПЛОЩАДЬ МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ЕДИНИЦУ

σ = - ∆А/∆S

∆А – это термодинамически обратимая работа, затраченная на образование поверхности площадью ∆S. Так как работа совершается над системой, то она является отрицательной.

Поверхностное натяжение (или коэффициент поверхностного натяжения) является важной характеристикой любой жидкости. Физический смысл поверхностного натяжения может иметь энергетическое и силовое выражения.

Согласно энергетическому выражению, поверхностное натяжение σ есть поверхностная энергия Гиббса единицы поверхности (т.е. удельная поверхностная энергия Гиббса). В таком случае σ равна работе, затраченной на образование единицы поверхности. Энергетической единицей σ является Дж/м².

Силовое определение поверхностного натяжения формулируется следующим образом: σ – это сила, действующая на поверхности по касательной к ней и стремящаяся сократить свободную поверность тела до наименьших возможных пределов при данном объёме. В этом случае единицей измерения σ является Н/v.

Поверхностное натяжение характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз. Чем больше это различие, тем больше σ. Для границы жидкая фаза – воздух можно пренебречь межмолекулярным взаимодействием в воздухе (F_{газ-газ} = 0), поэтому поверхностное натяжение характеризует интенсивность межмолекулярных взаимодействий в конденсированной фазе.

Поверхностное натяжение индивидуальных веществ на границе с газом понижается с повышением температуры: dσ/dt ‹ 0. Температурный коэффициент dσ/dt имеет практически постоянное отрицательное значение вплоть до температур близких к критическим. При критической температуре исчезают различия между граничащими фазами и поверностное натяжение становится равным 0 (σ = 0).

Для многих неполярных жидкостей температурная зависимость σ от Т линейна и в первом приближении может быть представлена формулой:

σ = σ₀ – а(Т – Т₀),

где σ и σ₀ – поверхностное натяжение при Т и Т₀, а – постоянная, равная температурному коэффициенту поверхностного натяжения, взятому с обратным знаком.

САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

Для индивидуальных веществ поверхностное натяжение постоянно (σ = Const, dσ = 0). В этих случаях самопроизвольно могут протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением площади межфазной поверхности (dS_1,2 ‹ 0). К таким явлениям относят:

• Стремление капель жидкости или пузырьков газа принять сферическую форму (сферические частицы имеют самую маленькую удельную поверхность);

• Слипание твердых частицу дисперсной фазы (коагуляция);

• Слипание капель в эмульсиях или пузырьков газа в пенах (коалесценция);

• Рост кристаллов.

Если площадь межфазной поверхности остается постоянной (S_1,2 = const, dS_1,2 = 0), то могут протекать самопроизволдьно процессы за счёт уменьшения поверхностного натяжения (d σ ‹ 0), которые могут быть обусловлены процессом адсобции.