8. Беттік құбылыстардың термодинамикасы. Гиббстің “артық шамалар” әдісін қарастырыңыз.

Беттік құбылыстар — шекаралық қабатта артық еркін энергияның (беттік энергияның) болуынан, беттік қабат молекулаларының белсенділігінің жоғарылығынан олардың құрылымы мен құрам ерекшеліктерінен туындайтын құбылыстар. Денелердің физикалық және химиялық әсерлері ең алдымен осы беттік қабатта өтеді. Негізгі беттік құбылыстар бет ауданына пропорционал беттік энергияның кемуіне байланысты болып келеді. Сұйықтық тамшыларының немесе газ көпіршіктерінің, т.б. тепе-тең пішіндерінің түзілуі тұрақты көлемдегі еркін энергияның минимум шамасымен анықталады. Молекулалық күштер (беттік керілу және жұғу) мен сыртқы күштердің (ауырлық күшінің) біріге әсер етуінен пайда болатын және сұйықтықтың бөліну бетін қисайтатын беттік құбылыстарды капиллярлық құбылыстар дейді. Қатты денелерде беттік құбылыстар ең алдымен олардың сыртқы бетінде байқалады. Мұндай құбылыстарға тістесу (когезия), жабысу (адгезия), жұғу және үйкеліс жатады. Беттік құбылыстар дененің ішкі беттерінде де болады. Олар кристалдық тор ақауынан туындайды. Қатты денені кез келген пішінде бұзу да беттік құбылыстарға жатады. Өйткені бұл кезде денеде жаңа бөліну беттері түзіледі. Беттік құбылыстардың едәуір тобын беттік қабаттың химиялық құрамын өзгертетін адсорбтау құбылыстары құрайды. Беттік қабаттардағы жылулық қозғалыстың ерекшелігі салдарынан беттерден жарықтың молекулалық шашырау құбылысы болады.

Беттік құбылыстардың басқа бір тобына термоэлектрондық эмиссия құбылысы, фазалардың бөліну бетінде потенциал секірмесінің пайда болуы және қос электр қабатының түзілуі жатады. Бұл құбылыстар иондар мен дипольді молекулалардың адсорбтануына байланысты. Жылу алмасу және масса алмасу процестерінің (еру, булану, қоюлану, кристалдану, коррозия, т.б.) жылдамдығы бөліну бетінің шамасы мен қасиетіне байланысты анықталады. Сондықтан ол осы беттегі молекулалардың табиғатына және сол беттің құрылысына ерекше тәуелді болады. Беттік құбылыстар тау-кен жыныстарын желдету және топырақ түзілу, ылғалдың булану және қоюлану процестерін, сондай-ақ, тірі организмдерде өтетін көптеген процестерді түсіндіруге көмектеседі. Бірсыпыра технологиялық процестер (майлау, жұғу, т.б.) беттік құбылыстарын пайдалануға негізделген.

Беттік энергия мен басқа да термодинамикалық функцияларды сипаттау үшін әдетте екі әдісті қолданады: 1) Гиббстің “артық шамалар” және 2) “қалыңдығы шектелген қабат” әдістері.

Бірінші әдісте беттің қасиетін сипаттау үшін беттік қабаттағы термодинамикалық функциялар мен параметрлерің көлемдегі мәндерін салыстырғандағы артық шамалары алынады.Басқаша айтқанда, Гиббстің артық шамалар әдісі бойынша бөлу беті термодинамикалық параметрлердің артық шамалары арқылы сипатталады да,жанасшы фазалардың көлемдік қасиеттері бөлу бетіне дейін өзгеріссіз қалады деп есептелінеді.Сонда жүйенің жалпы еркін энергиясы (G) жанасушы фазалардың еркін энергиялары (G₁ және G₂) мен бөлу бетінің еркін энергиясының (ϬS) қосындысына тең болады.

G=G₁+G₂+ϬS

Ϭ-бөлу бетінің фазааралық керілуі, S-бөлу бетінің ауданы.

Қалыңдығы шектелген қабат әдісінде фазааралық бөлу қабатының өлшемі бар деп есептелінеді.Беттік қабаттың еркін энергиясы бөлу бетінің еркін энергиясы мен қабаттың көлемдік еркін энегиясының қосындысына тең болады:

G_қабат=ϬS+G^v_қабат

Ал жүйенің жалпы энергиясы жанасушы фазалардың көлемдік еркін энергиялары мен беттік қабаттың еркін энергиясының қосындысына тең болады: G=G₁+G₂+G^v_қабат+ϬS

Демек,қалыңдығы шектелген әдіс арқылы жүйенің еркін энергиясын есептеу үшін беттік қабаттың қалыңдығын білу керек.Беттік қабаттың қалыңдығы жуық шамамен гидратталған молекула диаметрінің екі еселенген мәніне жуық екенін еске алсақ,оның қалыңдығын анықтау өте қиын және оны анықтау барысында да көп қате кететіні анық.Ал Гиббстің артық шамалар әдісінде беттік қабаттың қалыңдығын анықтау қажет емес.Сол себептен беттік термодинамикалық қасиеттерін сипаттау үшін көбінесе Гиббстің әдісін қолданады.