9. Поверхностные явления Термодинамика поверхностных явлений
В дисперсных системах большая часть всех молекул или атомов, составляющих вещество, находится на поверхности раздела фаз. Эти поверхностные молекулы отличаются от молекул, находящихся внутри фазы по своему энергетическому состоянию, что приводит к возникновению избыточной поверхностной энергии. Избыточная поверхностная энергия равна произведению поверхностного натяжения на площадь межфазной поверхности.
Любая термодинамическая система стремиться уменьшить свою поверхностную энергию. Избыточная поверхностная энергия может уменьшиться за счет:
уменьшения поверхностного натяжения: адсорбция, адгезия, смачивание, образование двойного электрического слоя;
уменьшения площади поверхности: сферическая форма капель (сглаживание поверхности), объединение частиц (коагуляция, агрегация, коалесценция).
Поверхностное натяжение Физический смысл поверхностного натяжения
Изобразим границу раздела жидкости с ее собственным паром (рис.9.1). На молекулу, находящуюся внутри жидкости, действуют силы взаимного притяжения (силы молекулярного сцепления) со стороны всех окружающих ее соседних молекул. Равнодействующая этих сил
Рис.9.1. Межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости и
на поверхности раздела фаз.
равна нулю вследствие симметрии силового поля, и для перемещения молекулы внутри жидкости не требуется затрачивать работу. Это вызвано тем, что в газообразной фазе молекулы удалены друг от друга на большие расстояния, и действующие между ними силы Молекулы, находящиеся на границе раздела фаз, испытывают действие межмолекулярных сил в большей степени со стороны жидкой фазы f1, чем со стороны газообразной f2 (f1 >> f2). Результирующая сила Р, пропорциональной разности сил (f1 - f2), направлена внутрь жидкости. Эта сила, отнесенная к единице поверхности (1 м2 или 1 см2), называется внутренним (молекулярным) давлением pM.
Молекулярное давление определяется силой сцепления молекул, оно тем выше, чем полярнее вещество. Таким образом, на поверхности любой жидкости существует огромное давление, стремящееся затянуть все молекулы с поверхности внутрь жидкой фазы. Этим объясняется шарообразная форма капель жидкости.
Мы уже сказали, что молекулярные силы стремятся втянуть молекулы поверхностного слоя внутрь фазы. Поэтому, для образования новой поверхности необходимо затратить некоторую работу против сил молекулярного притяжения.
Поверхностное
натяжение
(
)
– работа обратимого изотермического
процесса, затраченная на образование
единицы площади поверхности раздела
фаз (энергетическое определение
поверхностного натяжения):
. (9.1)
Знак минус говорит о том, что положительная работа совершается при уменьшении или сокращении поверхности.
Силовое определение: поверхностное натяжение – сила, направленная тангенциально (параллельно) к поверхности и приходящаяся на единицу длины периметра, ограничивающего эту поверхность.
Физическая сущность – поверхностные молекулы стремятся уйти вглубь конденсированной фазы, тем самым, сжимая поверхность.
Оба эти определения необходимо рассматривать в единстве. Такое единство энергетического и силового подходов сложилось исторически. Величина поверхностного натяжения была введена в физику задолго до появления понятия энергии и рассматривалась как сила, стягивающая гипотетическую пленку на поверхности жидкости и противодействующая ее растяжению. Силовое определение более справедливо для жидкостей, так как у них одновременно с образованием поверхности молекулы и атомы на ней ориентируются, уплотняются, переходя в равновесное состояние и вызывая тем самым тангенциальное натяжение поверхности.