9.7. Поверхностные явления.

Совокупность явлений, связанных со свойствами поверхности на междуфазных границах, будем называть поверхностными явлениями.

В области контакта двух фаз под влиянием разности их молекулярных силовых полей происходит образование поверхностного слоя, которое сопровождается такими явлениями, как адсорбция и десорбция, возникновением поверхностной энергии, поверхностного натяжения, поверхностного электрического потенциала, капиллярными явлениями и др. Поверхностные явления связаны с уменьшением поверхностной энергии.

9.7.1. Поверхностная энергия.

Под поверхностной энергией будем понимать избыток энергии по-верхностного слоя между соприкасающимися фазами, приходящийся на единицу площади разделяющей поверхности.

В приповерхностном слое на каждую молекулу действует меньше молекул, чем в объеме вещества, поэтому потенциальная энергия молекулы вблизи поверхности больше, чем в объеме. Таким образом, наличие границы раздела приводит к возникновению дополнительной поверхностной энергии вещества.

Например, для двух объемов разных фаз v_l и v₂ средняя поверхностная энергия определяется соотношением: , где и¹ и и² – плот-ность энергии в объеме соответствующих фаз, u – начальная энергия. Поверхностная энергия, или энергия Гельмгольца, является величиной, определяемой из соотношения (9.3.6): F = U — TS, где S — энтропия.

Поверхностная энергия отличается от поверхностного натяжения независимостью от температуры.

Поверхностная энергия определяет работу образования зародышей новой фазы, а также свободную энергию активации процессов фазовых переходов. Наличие поверхностной энергии является причиной возник-новения метастабильных состояний, например, переохлаждения, пересыщения и т. д.

Поверхностная энергия определяет также процессы адгезии, смачива-ния и диспергирования.

Равновесная форма анизотропного тела может быть определена мини-мумом свободной поверхностной энергии при заданном объеме тела, сфор-мулированном как принцип Гиббса—Кюри:

(9.7.1)

при V= const, где σ_i – значение удельной свободной поверхностной энергии, A_i – элементарная поверхность.

При увеличении поверхности раздела происходит переход молекул из объемов фаз в пограничный слой. При этом производится работа против межмолекулярных сил, не скомпенсированных у границы раздела. Работа, затрачиваемая на создание единицы площади поверхности раздела фаз в изотермическом процессе определяет удельную поверхностную энергию σ, или поверхностное натяжение. Удельная полная поверхностная энергия U определяется уравнением Гиббса–Гельмгольца

(9.7.2)

где Т(дσ/дТ) = s ≥ 0, s – удельная поверхностная энтропия. Поверхностная энергия определяет процессы адгезии и когезии.

Под адгезией будем понимать связь между разнородными конденси-рованными телами при их контакте. Следствием адгезии жидкости к по-верхности твердого тела является явление смачивания. Адгезия при изотер-мическом процессе определяется убылью свободной поверхностной энергии W_а.

Под когезией будем понимать связь между молекулами, атомами и ионами в пределах одной фазы.

При равновесном изотермическом процессе когезия определяется затратой энергии на разрыв W_K = 2σ₁₂ , где σ₁₂ — поверхностное натяжение вновь образованной поверхности 1 на границе с окружающей средой 2.

Если W_a > W_K , то жидкость растекается по поверхности другого тела. При W_a = W_K достигается полное смачивание и, наконец, при W_a < W_K растекание отсутствует.