2. Поверхностное натяжение

Почему по водной поверхности бегают пауки?

Почему металлическая игла удерживается на водной поверхности?

Почему англичане еще в XVII – XVIII вв. выливали в бушующее море тюлений или китовый жир?

Как норвежские рыбаки определяли место косяка сельди?

Еще раз посмотрим на энергетическое положение атома внутри тела и на его поверхности.

А .(внутри)

F _рез=0

Б.(на поверхности)

F_рез≠0

и направлена внутрь тела

Втягивая поверхностные атомы внутрь, тело как бы стремится уменьшить свою поверхность. На поверхности возникает напряжение, вызванное наличием избыточной энергии из-за нескомпенсированности энергии поверхностных атомов.

1. Избыточная поверхностная энергия приходящаяся на единицу площади поверхности получила название поверхностного натяжения (σ)

Физическая природа σ в нескомпенсированности поля межмолекулярных сил на межфазных поверхностях.

2. Его можно также трактовать как силу, действующую тангенциально поверхности (вдоль нее) и препятствующую увеличению поверхности. Опыт Дюпре с мыльной пеной.

3. σ – можно также рассматривать как работу, затраченную на разрыв межатомных или межмолекулярных связей, т.е. это работа образования единицы поверхности. На σ влияют T, q, добавки ПАВ. [σ]=Дж/м²; Нм/м²=Н/м. В СГС: дин/см; 1 Н/м=1000 дин/см

Чем сильнее межмолекулярные связи в веществе, тем больше σ на его межфазной поверхности.

Отсюда: H₂O → σ=0,0721 Дж/м²

Здесь атомы связаны сильнее

C₂H₅OH → 0,0221

Говорят о удельной поверхностной энергии

Hg → 0,473

Fe → 4,0

W → 6,8

Алмаз → 11,4 – макс. знач.

2.1 Термодинамические параметры поверхностного слоя

Все поверхностные явления, вызванные наличием избыточной энергии удобно классифицировать, используя объединенное уравнение I и II начала термодинамики. Его дифференциальная форма:

G – энергия Гиббса

S – энтропия

Т – температура

V – объем

P – давление

σ – поверхностное натяжение

s – площадь поверхности

μ_i – химический потенциал i-го компонента

n_i – число молей i-го компонента

φ – электрический потенциал

q – количество электричества (заряд)

Уравнение выражает приращение энергии Гиббса через алгебраическую сумму приращений других видов энергии, присущих явления на межфазной поверхности.

Поверхностная энергия σds может превращаться:

1. в энергию Гиббса (соответствует изменению реакционной способности)

2. в теплоту (соотв. пр. адгезии и смачивания)

3. в механическую энергию (явление капиллярности)

4. в химическую энергию (явление адсорбции)

5. в электрическую энергию (электрические и электрокинетические явления)

При T, p, ni, q – const , т.е.

σ – есть частная производная от энергии Гиббса на площади межфазной поверхности при T. p, ni, q - const . Если объединенное уравнение записать относительно других термодинамических потенциалов (υ, F, H_{энтальма}), то при постоянстве других параметров системы получим:

; ;

Таким образом: σ – есть частная производная от любого т.д. потенциала по площади межфазной поверхности при постоянстве соответствующих параметров системы.

Т.к. легче всего осуществить const p и T, то σ чаще всего выражают через производную от G.