4.2. Поверхностное натяжение воды и материалов
Увеличение удельной поверхности вещества при дроблении приводит к постепенному возрастанию числа молекул или атомов, располагающихся на поверхности частиц дисперсной фазы. При этом их межмолекулярные или межатомные связи оказываются нарушенными или разорванными, а их энергия некомпенсированной.
Сосредоточенную таким образом в поверхностных молекулах потенциальную энергию называют поверхностной, а ее величину, приходящуюся на единицу площади межфазной поверхности − поверхностным натяжением, σ. Эта свободная по своей природе энергия повышает общую энергетику системы. И чем больше удельная поверхность системы (больше молекул на поверхности), тем выше энергия системы. Единицей измерения поверхностного натяжения (σ) является Дж/м2. Поверхностное натяжение по своей сути эквивалентно работе, затраченной в изотермических условиях на создание единицы поверхности.
В термодинамическом смысле поверхностное натяжение есть частная производная от любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности при постоянстве соответствующих параметров системы. Так как удобнее всего обеспечить постоянство температуры, давления и числа молей в системе, поверхностное натяжение выражают через энергию Гиббса:
(4.6)
Чем сильнее межмолекулярные связи в веществе, тем больше его поверхностное натяжение на границе с газовой фазой. В табл. 4.1 приведены значения поверхностного натяжения на границе с воздухом для различных веществ.
Вода обладает наибольшим значением поверхностного натяжения среди известных жидкостей. С увеличением температуры для всех индивидуальных веществ поверхностное натяжение на границе с воздухом снижается. При этом зависимость эта практически линейная. Температурный коэффициент для воды составляет − 0.1541.10−3 Дж/м2 на один градус. Для большинства жидкостей температурная зависимость поверхностного натяжения может быть рассчитан из соотношения:
σТ = σо − b ΔΤ, (4.7)
где σТ, σо − поверхностное натяжение соответственно при температуре Т и какой-либо известной температуры То, Дж/м2; b − постоянная, равная температурному коэффициенту поверхностного натяжения, взятому с обратным знаком Дж/м2.град. Это справочная величина.
Таблица 4.1
Поверхностное натяжение (удельная поверхностная энергия)
веществ на границе с воздухом
-
Вещество
Т, K
σ .103, Дж/м2
Гелий, He
3
0.22
Азот(ж), N2
80
8.27
Гексан, C6H14
298
17.9
Октан, C8H18
298
21.8
Этиловый спирт, C2H5OH
298
22.1
Тетрахлорметан, СCl4
298
25
Уксусная кислота, CH3COOH
298
27.8
Бензол, C6H6
298
28.2
Сероуглерод, CS2
298
31.5
Муравьиная кислота, HCOOH
298
36.6
Анилин, C6H5NH2
298
43.2
Этиленгликоль, (СН2ОН)2
298
46.7
Вода, H2O
298
71.9
Ртуть, Hg
298
473.5
Медь(ж), Cu
1393
1270
Медь(тв), Cu
1373
1430
Железо(тв), Fe
298
3959
Алмаз (грань 111)
298
11400
При критической температуре поверхностное натяжение веществ равно нулю. Дисперсные системы (пены аэрозоли, эмульсии) из-за наличия избыточной поверхностной энергии являются в связи с этим термодинамически неравновесными (неустойчивыми) системами. Снижение свободной энергии системы, т. е. повышение их устойчивости может быть обеспечено как за счет уменьшения площади межфазной поверхности, так и поверхностного натяжения.