52. Беттік құбылыстардың теомодинамикасы. Беттік керілу, анқтама, өлшем бірлігі
Беттік керілу коллоидтық-химиялық қасиеттердің ең маңыздыларына жатады. Беттік керілу – дисперсті жүйелерді құрайтын әртүрлі фазалардың арасындағы бөлу бетінің негізгі термодинамикалық сипаттамасы. Қарапайым жағдайды - сұйықтық пен газ шекарасындағы беттік керілуді қарастырып, бет-тік керілудің физикалық мәнін анықтайық. Беттік керілудің екі физикалық мәні бар – энергиялық (термодинамикалық) және күштік (механикалық).
Осы
екі ұғымды қарапайым тәжірибе түсіндіреді
(3-сурет). EDSF
сым
рамкада ұзындығы l
рамка бойымен жеңіл сырғитын жылжымалы
көлденең салма
орналасқан.
Салма мен рамканың CD
жоғарғы
шетінің арасында сұйық жұқа үлдір бар,
мысалы сабын ерітіндісінің үлдірі. АВ
салмасына төмен қарай бағыт-талған f
күші
арқылы әсер етейік, ол күшті G
жүгі көрсетеді. f
күшінің
әсерінен АВ
салмасы dx
аралыққа жылжып, А'В'
орнын
алады. Бұл кезде f
күші
dW
= fdx
жұмысын жасайды, егер процесс тұрақты
температурада жүрсе (изотермиялық),
онда бұл жұмыс тек қабыршық бетінің
ұлғаюына жұмсалады. Ауданның ұлғаюы ds
= 2ldx
болып, 2 деген коэффициент қабыршық екі
жақты болатынын ескереді. Яғни қабыршықтың
аудан бірлігінің ұлғаюына жұмсалған
жұмыс келесі өрнекпен анықталады:
[Дж/м2].
Бұл теңдеуден энергиялық (термодинамикалық) анықтама шығады: беттік керілу дегеніміз тұрақты температурадағы беттің ұлғаю жұмысы. Тұрақты температура шарты орындалса, жаңа бет бірлігінің түзілуіне жұмсалған жұмыс беттің бос энергиясына толық ауысады. Қабыршықтың тұрақты көлемінде ішкі көлемнен бетке сұйықтықтың ауысу нәтижесінде жаңа бет түзіледі. Сондықтан сұйықтық бетінің термодина-микалық параметрі ретінде беттік керілудің тағы бір анықтамасы шығады: белгілі температурада беттік керілу сұйық беттің аудан бірлігіндегі артық мөлшердегі меншікті бос энергияға (Гельмгольц энергиясына) тең болады. «Артық мөлшер» термині беттік молекулалардың Гельмгольц энергиясы көлемдік молекулаларға қарағанда артық болатынын көрсетеді. Бұл айырмашылық беттік құбылыстар термодинамикасында шешуші роль атқарады.
Жоғарыда
келтірілген тәжірибе беттік керілудің
тағы бір физикалық мәнін айқындайды. f
күшін
көрсеткенде, АВ
салмасының күштік механикалық тепе-теңдік
жағдайын анықтайық. Мұндай тепе-теңдікке
қарама қарсы күш әкеледі. Ол күшті σ
деп белгілесек, тепе-теңдікті жағдайға
келесі теңдеу сәйкес болады:
[Н/м], (6.2)
2 коэффициенті қабыршық екі жақты болатынын ескереді. Бұл теңдеуден күштік (механикалық) анықтама шығады: беттік керілу дегеніміз сұйық бетті шектейтін сызықтың ұзындық бірлігіне әсер ететін күш. Беттік керілу күші бөліну бетке тангенцал бағытталып, осы бетті кішірейтуге тырысады. Сондықтан 3 суреттегі беттік керілуді бейнелейтін векторлар қабыршыққа қарай бағытталған.
Термодинамикада энергиялық шамаларды қолданған қолайлы, сондықтан арнайы ескертулер болмаса, беттік керілудің термодинамикалық анықтамасын қолданамыз.
Беттік керілу фазалардың агрегаттық күйіне қарамастан фазааралық бетті сипаттайтын термодинамикалық параметр болып табылады.