Определение полной поверхностной энергии жидкостей

Цель работы: измерение поверхностного (межфазного) натяжения; определение зависимости поверхностного натяжения чистых жидкостей от температуры; расчет полной поверхностной энергии и ее составляющих.

Общие теоретические положения

Внутренняя полная поверхностная энергия.

В термодинамическом описании поверхностных явлений используют два метода:

I- метод слоя конечной толщины

II- метод избыточной величины Гиббса

I. Все термодинамические изменения в системе.

Практически невозможно определить , т.к. отсутствуют четкие границы поверхностного слоя и объема фаз. Метод точен, но используется редко (d – несколько молекулярных слоев).

II. Гиббс предложил все изменения термодинамических параметров относить только к разделяющей поверхности, которая не имеет толщины. Отсюда

В этом случае поверхность характеризуется избыточными термодинамическими параметрами. Однако расчет здесь более прост и метод используется чаще. Внутренняя энергия системы

.

В соответствии с II началом термодинамики , где q – количество теплоты, необходимое для образования единицы поверхности

_,

т.е. внутренняя энергия поверхности складывается из энергии Гиббса (σ) и теплоты образования единицы поверхности (∆ _S>σ). Поэтому ее называют полной поверхностной энергией.

Температурная зависимость σ и полной внутренней поверхностной энергии.

Очевидно, что такая зависимость должна быть. Связи с увеличением температуры ослабевают. Из объединенного уравнения

Пусть p, s, n_i, q – const, тогда имеем: ; ; на единичной поверхности ; , подставив:

;

Уравнение Гиббса-Гельмгольца устанавливает связь σ и с Т.

− температурный коэффициент σ , т.к. q_s всегда больше 0, то , значит , т.е. с увеличением Т σ уменьшается, причём линейно (рис. 2.1 ).

Рис. 2.1. Зависимость энергетических параметров поверхности

(U_s, q_s, σ, S_S)от температуры

При Т=Т_кр σ = 0, т.к. с увеличением Т σ уменьшается, а q_s увеличивается, то для большинства жидкостей от температуры не зависит вплоть до достижения критическиой температуры (рис.2.1).

Для есть таблицы для различных веществ. С его помощью можно определить σ при любой температуре, если известно значения поверхностного натяжения при какой-то температуре, т.е.

,

где ∆Т = Т_т - Т_0.

Таким образом, для определения полной поверхностной энергии необходимо знать поверхностное натяжение и его температурный коэффициент.

ПРИБОРЫ И РЕАКТИВЫ:

Прибор для определения поверхностного натяжения.

Термостат.

Пипетки емкостью 1 и 10 мл.

Химический стакан объёмом 50 мл, 2 шт.

Исследуемая и стандартная (вода) жидкости.

Порядок выполнения работы:

По ранее отработанной сталагмометрической методике (работа 1) измеряют поверхностное натяжение исследуемой жидкости при нескольких температурах (исследуемую жидкость, интервал температур указывает преподаватель). Перед измерениями проводят термостатирование жидкостей при каждом значении температуры. Постоянную капилляра определяют, используя значения поверхностного натяжения воды, а также плотности воды и исследуемой жидкости при соответствующих температурах.

По данным измерений строят график зависимости  = f (T) и по тангенсу угла наклона полученной прямой находят значение температурного коэффициента d/dT. Затем для каждой температуры рассчитывают внутреннюю энергию поверхностного слоя (U_s) , теплоты образования единицы поверхности (q_s), и энтропию поверхности (S_s).

Расчет ведут по формулам (2.1), (2.2), (2.3).

(2.1)

(2.2)

S_S=q_S/T (2.3)

Полученные значения вносят в таблицу:

Таблица 2.1.

Т, К

n

n1

n2

n3

nср

, мДж/м2

Us мДж/м2

qs мДж/м2

ss мДж/К∙м2

Строят графики зависимости U_s, q_s, S_s от температуры и делают вывод о влиянии температуры на термодинамические параметры поверхностного слоя жидкости.

Лабораторная работа №3.