ЛЕКЦИЯ 2
Термодинамические основы поверхностных явлений. Поверхностный слой и его формирование. Энергетический и силовой аспекты поверхностного натяжения. Методы определения поверхностного натяжения. Особенности искривленной поверхности фаз.
∆ G≤-S э d Т+ Vd Р+∑ µ i dn i + σ dS п + φ dq i Тепловая энергия Химическая энергия Механическая энергия Электрическая энергия При Р= const Т= const n=const q=const ∂ G = σ∂ S или σ =(∂ G/∂S ) Т,Р, n,q G= σ S S э – энтропия, V- объем, σ – поверхностное натяжение, µ – химический потенциал, φ – электрический потенциал, dT – изменение температуры, dP – изменения давления, dn i, – изменение числа молей, dS п – изменение поверхности раздела, dq i – изменения заряда поверхности Уравнение Гиббса Поверхностная энергия
Ход процесса 1 3 2 ∆ G ∆ G < 0 ∆ G > 0 ∆ G=0 G=min Термодинамические условия равновесных процессов Термодинамические условия самопроизвольных процессов (адсорбция, смачивание и т.д.) Термодинамические условия несамопроизвольных процессов (измельчение, истирание и т.д.)
Свойства поверхности жидкости твердого тела подвижность атомов обновление поверхности эквипотенциальность малая величина ∆ G малая толщина поверхностного слоя неподвижность неизменность неэквипотенциальность большая величина ∆ G большая толщина поверхностного слоя
Схема образования избытка поверхностной энергии А, Б – молекулы в объема и на поверхности жидкости В – гребень на поверхности 1 2 3 σ σ F Схема образования поверхностного натяжения Г В σ жг σ жг Ж А Б 3 σ 3 σ 3 σ 3
Вещество σ, мН/м Вещество σ, мН/м Гелий 0,2 Вино 45-52 Водород 2 Вода 72,8 Кислород 13 Лед 120 Гексан 18 Ртуть 480 Этанол 22 Кварцевое стекло 740 Бензол 28 Серебро 1100 Подсолнечное масло 33 Медь 1400 Пахта 40 Вольфрам 6800 Сливки 42 Углерод 5000 Молоко 45-60 Алмаз 11400
Т Т кр σ σ т = σ 0 - α∆ Т d σ / dT < 0 – температурный коэффициент σ Для воды: d σ / dT = -0,154 мДж/м2 · К
а) б) в) г) Метод наибольшего давления Сталагмо- метрический метод Метод отрыва кольца Метод отрыва пластин σ = σ в (р/р в ) σ = Р к k/ 2 π r 0 σ =( F/4 π r к )k σ = F/(2h)
r P r P 0 σ σ ∆ P =Р r-P 0 А=∆Р dV Работа по изменению объема тела А= σ dS ∆ p = σ dS/dV Работа по изменению поверхностной энергии S = 4 π r 2 dS=8 π rdr V=4/3 π r 3 dV=4 π r2dr p = ±2 σ /r Для сферической поверхности ∆ p = ± σ (1/r 1 +1/r 2 ) Для поверхности неправильной формы Уравнение Лапласа
P r =Р 0 exp(±2 σ V М /rRT) Условие равновесия жидкости и пара на искривленной поверхности C r = C 0 exp(±2 σ V М /rRT) Условие равновесия жидкости и твердого тела на искривленной поверхности Изменение давления избыточного пара Р s a ) выпуклая поверхность б) плоская поверхность в) вогнутая поверхность
Уменьшение энергии Гиббса (∆ G<0 ) Образование сферических капель и идеально гладкой поверхности Образование ДЭС Адгезия Адсорбция Коагуляция Коалесценция Изотермическая перегонка Капиллярные явления, смачивание Уменьшение поверхности раздела фаз (∆ S<0, σ = const ) Укрупнение частиц Уменьшение поверхностного натяжения (∆ σ <0, S = const ) Уменьшение поверхностного натяжения (∆ σ <0, S = const ) Уменьшение поверхностного натяжения (∆ σ <0, S = const ) Уменьшение поверхностного натяжения (∆ σ <0, S = const ) Уменьшение поверхностного натяжения (∆ σ <0, S = const )
Почему на поверхности раздела фаз возникает избыток поверхностной энергии? Что представляет собой энергия Гиббса? Приведите примеры процессов, в результате которых энергия Гиббса возрастает (уменьшается). Чем отличаются свойства поверхностей жидкости и твердого тела на границе с газовой фазой? В чем заключаются энергетический и силовой аспекты поверхностного натяжения? От каких факторов зависит величина поверхностного натяжения? Назовите методы определения поверхностного натяжения. Взаимосвязь каких физических величин показывает уравнение Лапласа? Над какой поверхностью давление насыщенного пара больше – над выпуклой, вогнутой или плоской? Как влияет радиус кривизны поверхности на величину избыточного давления? На какие две группы делятся самопроизвольные процессы, протекающие на межфазных границах?
