Поверхностные явления.

Состояние молекул жидкости на поверхности и внутри объема различно. В отличие от твердых тел, молекулы жидкости не закреплены в узлах кристаллической решетки. Молекула в объеме фазы испытывает большее число межмолекулярных взаимодействий по сравнению с молекулой, которая находится на границе раздела фаз. Молекулы, находящиеся у поверхности, обладают избыточной поверхностной энергией. Для того, чтобы образовать единицу поверхности, необходимо совершить работу и разорвать межмолекулярные связи.

Поверхностное натяжение – это работа образования единицы поверхности в обратимых изотермических условиях.

- изменение свободной энергии (Энергии Гельмгольца).

F₂ – сила, действующая на ленку со стороны перемычки.

Опыт Дюпре:

Поверхностное натяжение – это сила, действующая к тангенциальной поверхности и отнесенная к единице длины периметра, ограничивающего эту поверхность.

Обобщенное уравнение I и II законов термодинамики:

,

Уравнение Гиббса-Гельмгольца.

Для конденсированных систем в условиях V,T=const справедливо: ΔU = ΔG + TΔS.

G^S – энергия Гиббса.

, тогда - для жидкостей.

, (ΔS_S – изменение энтропии, отнесенная к единице поверхности).

, тогда ,, =>

- Уравнение Гиббса-Гельмгольца

Поверхностная энергия не зависит от температуры!

P = const:

- поверхностное натяжение линейно уменьшается при увеличении температуры.

, =>

В точке Кюри исчезает поверхность и полная поверхностная энергия обращается в нуль.

Капиллярные явления.

Стремление жидкости уменьшить свою поверхностную энергию выражается в появлении кривизны и дополнительного давления.- результирующая сил поверхностного натяжения, направленная к центру кривизны. Для условийV,T=const изменение энергии Гельмгольца равно:

, -уравнение Лапласа.

Для сферы: ,.

Кривизна поверхности может быть положительной и отрицательной.

положительная – центр в жидкой фазе,

отрицательная – центр в газовой фазе.

r₀ – радиус кривизны;

r – радиус капилляра

θ – краевой угол смачивания.

. Высота поднятия:

- формула Жюрена.

Поскольку система стремится сократить свою поверхностную энергию, она всегда будет стараться иметь минимальную поверхность.

- принцип Кюри-Гиббса

Переход из конденсированного состояния в газообразное, n=1 моль, V = Vm = M/ρ

а) T = const

, (dG_D – в системе происходит диспергирование)

В случае постоянства температуры можно записать, что

- уравнение Томсана-Кельвина (капиллярной конденсации).

P – давление над искривленной поверхностью, Р^S – давление над плоской пов-тью

Следствия:

1. положительная кривизна: чем < капля, тем больше давление насыщенных паров

2. отрицательная кривизна: чем < размер пор, тем < давление или тем легче протекает процесс конденсации в порах.

б) Р = const

, , (- макрофаза)

Следствие: по мере уменьшения размеров частиц происходит снижение температуры фазового перехода.

Методы определения поверхностной энергии.

Метод Гиббса:

Метод поверхностного слоя:

- избыточная энергия к поверхности раздела фаз,

- энергия Гиббса слоя с толщиной

За толщину слоя принимают расстояние по обе стороны от границы раздела фаз, за пределами которого поверхностные свойства перестают отличаться от объемных.

Метод поверхностного слоя используется редко, т.к. громоздок.