Термодинамическое определение поверхностного натяжения

При p и Т=const запишем объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики для гетерогенной системы относительно изменения энергии Гиббса:

, (9.2)

где Т – температура; S^/ – энтропия, р – давление, V – объем, S – площадь поверхности, – поверхностное натяжение, – химический потенциал i-того компонента, n_i – число моль i-того компонента, – электрический потенциал, q – количество электричества.

При постоянных Т, р, n_i и q имеем:

. (9.3)

Поверхностное натяжение есть частная производная от энергии Гиббса по площади поверхности раздела фаз при постоянных: давлении, температуре, числе моль компонентов и заряде.

Так как объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики может быть записано и относительно других термодинамических потенциалов, а именно внутренней энергии U, энергии Гельмгольца (А), и энтальпии (H), то при соответствующих постоянных параметрах получим:

. (9.4)

Поверхностное натяжение – частная производная от любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности при постоянных соответствующих параметрах.

Единицы измерения поверхностного натяжения

Энергетическому и силовому определению поверхностного натяжения соответствует энергетическая и силовая единица измерения. Энергетической единицей является Дж/м², силовой – Н/м. Энергетическое и силовое выражение эквивалентны, и численная величина совпадает в обеих размерностях. Так для воды при 293 К:

Одна размерность легко выводится из другой:

СИ: Дж/м² = Н∙м/м² =Н/м;

Влияние различных факторов на величину

поверхностного натяжения

Влияние химической природы вещества

Поверхностное натяжение – работа, затрачиваемая на разрыв межмолекулярных связей. Поэтому, чем сильнее межмолекулярные связи в данном теле, тем больше его поверхностное натяжение на границе с газовой фазой. Следовательно, поверхностное натяжение меньше у неполярных жидкостей, имеющих слабые межмолекулярные связи, и больше у полярных жидкостей. Большим поверхностным натяжением обладают вещества, имеющие межмолекулярные водородные связи, например вода.

Таблица 9.1

Значения поверхностного натяжения и удельной поверхностной энергии некоторых веществ на границе с воздухом

Вещество	Т, К	σ·103Дж/м2	Вещество	Т, К	σ·103Дж/м2
Гелий (ж)	3	0,22	Серебро (ж)	1273	920
Бензол	298	28,2	*Серебро (т)	1023	1140
Муравьиная к-та	298	36,3	*Железо (т)	298	3959
Вода	298	71,96	*Вольфрам (т)	298	6814
Ртуть	298	473,5	*Алмаз	298	11400

^* – приведены значения удельной поверхностной энергии