Поверхностная энергия и поверхностное натяжение кратко

Обновлено: 02.07.2024

По причине сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные, то есть неустойчивые, упорядоченные группы, включающие в себя несколько молекул. Данное явление носит название ближнего порядка (рис. 3 . 5 . 1 ).

Рисунок 3 . 5 . 1 . Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 – вода; 2 – лед.

Свойства жидкостей

На рисунке 3 . 5 . 2 , на примере воды, проиллюстрировано различие между газообразным веществом и жидкостью. Молекула воды H 2 O включает в свой состав один атом кислорода и два атома водорода, которые расположены под углом 104 ° . В среднем, расстояние между молекулами пара в десятки раз больше, чем между молекулами воды. На рисунке 3 . 5 . 2 , в отличие от рисунка 3 . 5 . 1 , на котором молекулы воды представляют из себя шарики, дается представление о структуре молекулы воды.

Рисунок 3 . 5 . 2 . Водяной пар ( 1 ) и вода ( 2 ) . Молекулы воды увеличены примерно в 5 · 10 7 раз.

Сжимаемость жидкостей, то есть изменение объема вещества при изменении давления, по причине плотности расположения молекул в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем сжимаемость газов. К примеру, чтобы изменить объем воды всего на 1 % необходимо повысить значение давления примерно в 200 раз. Подобное увеличение давления по сравнению с атмосферным достигается на глубине близкой к 2 к м .

Подобно твердым телам, жидкости имеют свойство менять свой объем при изменении температуры. В случае не самых больших интервалов температур относительное изменение объема Δ V V 0 пропорционально изменению температуры Δ T , что может быть записано в виде следующего соотношения:

В котором коэффициент β представляет собой температурный коэффициент объемного расширения. Данный коэффициент у жидкостей в десятки раз превышает значение такого же у твердых тел.

К примеру, у воды в случае, если температура равна 20 ° С β в ≈ 2 · 10 – 4 К – 1 , у стали β с т ≈ 3 , 6 · 10 – 5 К – 1 , у кварцевого стекла β к в ≈ 9 · 10 – 6 К – 1 .

Тепловое расширение воды обладает важным для жизни на Земле эффектом. В условиях температуры ниже 4 ° С вода начинает расширяется при снижении температуры β 0 . Максимальную плотность ρ в = 10 3 к г / м 3 вода приобретает при температуре 4 ° С .

Замерзая, вода расширяется, из-за чего лед продолжает плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом эквивалентна величине в 0 ° С . У дна водоема, то есть слоях воды, обладающих большей плотностью, температура держится около 4 ° С .

Поверхностное натяжение

Наличие свободной поверхности в жидкостях является одной из самых интересных ее особенностей. В отличие от газов, жидкость не заполняет весь объем сосуда, в котором она находится. Между жидкостью и газом, возможно паром, возникает граница раздела, находящаяся в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. В отличие от молекул в глубине жидкости, молекулы, располагающиеся в пограничном ее слое, окружены другими молекулами этой же жидкости не со всех сторон. В среднем воздействующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул силы межмолекулярного взаимодействия взаимно скомпенсированы. Каждая отдельно взятая молекула в пограничном слое притягивается находящимися внутри жидкости молекулами. При этом, силами, которые оказывают воздействие на такую молекулу жидкости со стороны молекул газа можно пренебречь. Вследствие этого возникает некая направленная вглубь жидкости равнодействующая сила. Поверхностные молекулы втягиваются внутрь жидкости, с помощью действия сил межмолекулярного притяжения. Однако все молекулы, в том числе и принадлежащие пограничному слою, должны находиться в состоянии равновесия. Оно достигается за счет сокращения расстояния между молекулами в пограничном слое и ближайшими их соседями в жидкости. Как проиллюстрировано на рисунке 3 . 1 . 2 , в процессе уменьшения расстояния расстояния между молекулами появляются силы отталкивания. В случае, когда средняя величина расстояния между молекулами в жидкости равна r 0 , молекулы поверхностного слоя расположены плотнее, и по этой причине по сравнению с внутренними молекулами они имеют дополнительным запас потенциальной энергии, что можно увидеть на рисунке 3 . 1 . 2 .

Стоит обратить внимание на то, что более плотного поверхностного слоя не приводит к сколь-нибудь заметному изменению объема жидкости по причине чрезвычайно низкой сжимаемости.

Силы межмолекулярного взаимодействия совершают положительную работу, в случае, когда молекула перемещается с поверхности внутрь жидкости. И наоборот, чтобы достать некоторое количество молекул на поверхность из глубины жидкости, то есть повысить площадь поверхности жидкости, внешним силам необходимо произвести пропорциональную изменению Δ S площади поверхности положительную работу Δ A в н е ш :

Δ A в н е ш = σ ∆ S ,

где коэффициент σ носит название коэффициента поверхностного натяжения ( σ > 0 ) .

Из всего вышесказанного следует, что коэффициент поверхностного натяжения - это величина равная работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В С И коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный ( Д ж / м 2 ) или же в ньютонах на метр ( 1 Н / м = 1 Д ж / м 2 ) .

Таким образом, по сравнению с молекулами внутри жидкости молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной потенциальной энергией. Потенциальная энергия E р поверхности жидкости пропорциональна ее площади и выражается в виде следующей формулы:

E р = A в н е ш = σ S .

Из раздела механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Следовательно, свободная поверхность жидкости стремится уменьшить свою площадь. По данной причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму.

Жидкость ведет себя таким образом, будто по касательной к ее поверхности действуют сокращающие данную поверхность силы. Такие силы называются силами поверхностного натяжения.

Силы поверхностного натяжения влияют на поверхность жидкости таким образом, что она становится похожей на упругую растянутую пленку, с той лишь разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности, то есть от степени деформированности пленки, а силы поверхностного натяжения, зависимости от площади поверхности жидкости не имеют.

Некоторые жидкости, например, мыльная вода, имеют способность формировать тонкие пленки. Хорошо известные каждому человеку мыльные пузыри обладают правильной сферической формой, в чем также проявляется воздействие сил поверхностного натяжения. В случае, когда в мыльный раствор опускают проволочную рамку с одной подвижной стороной, вся она затягивается пленкой жидкости, как это показано на рисунке 3 . 5 . 3 .

Рисунок 3 . 5 . 3 . Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы F в н → и результирующей сил поверхностного натяжения F н → .

Силы поверхностного натяжения действуют на уменьшение поверхности пленки. Ради равновесия подвижной стороны рамки к ней необходимо приложить внешнюю силу
F в н → = - F н → . Если воздействие силы F в н → спровоцирует перемещение перекладины на некоторое Δ x , то будет произведена работа Δ A в н = F в н Δ x = Δ E p = σ Δ S , где Δ S = 2 L Δ x является увеличением площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. По той причине, что модули сил F в н → и F н → эквивалентны, справедливой будет запись:

F н ∆ x = σ 2 L ∆ x или σ = F н 2 L .

Исходя из этого, можно заявить, что коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

По причине воздействия сил поверхностного натяжения на капли жидкости и их действия внутри мыльных пузырей появляется некоторое избыточное давление Δ p . При мысленном разрезании сферической капли с радиусом R на две равные части каждая из половин должна находиться в равновесии под действием приложенных к границе разреза длиной 2 π R и сил избыточного давления, действующих на площадь π R 2 сечения (рис. 3 . 5 . 4 ) сил поверхностного натяжения. Условие равновесия может быть записано в следующем виде:

σ 2 π R = ∆ p πR 2 .

Исходя из этого, можно заявить, что избыточное давление внутри капли эквивалентно:

∆ p = 2 σ R (капля жидкости).

Рисунок 3 . 5 . 4 . Сечение сферической капли жидкости.

Из-за того, что пленка обладает двумя поверхностями, величина избыточного давления внутри мыльного пузыря в два раза выше, чем в капле:

∆ p = 4 σ R (мыльный пузырь).

Пренебрегая взаимодействием с молекулами газа, можно сказать, что поблизости с границей между твердым телом, жидкостью и газом форма свободной поверхности жидкости зависима от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.

В случае, когда данные силы превышают силы взаимодействия между молекулами жидкости, жидкость смачивает поверхность твердого тела. В таком случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым характерным для данной пары жидкость – твердое тело острым углом θ . Такой угол носит название краевого угла.

Краевой угол θ является тупым (рисунок 3 . 5 . 5 ), в случае, если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела. В подобном случае можно сказать, что поверхность твердого тела не смачивается жидкостью. В условиях полного смачивания θ = 0 , полного несмачивания θ = 180 ° .

Рисунок 3 . 5 . 5 . Краевые углы смачивающей ( 1 ) и несмачивающей ( 2 ) жидкостей.

Капиллярные явления

Капиллярными явлениями называют процесс подъема или опускания жидкости в трубках малого диаметра, другими словами, в капиллярах.

Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются. На рисунке 3 . 5 . 6 проиллюстрирована опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности ρ капиллярная трубка, обладающая некоторым радиусом r . При этом верхний конец капилляра является открытым. Подъем жидкости в капилляре будет происходить до тех пор, пока сила тяжести F т → , оказывающая воздействие на столб жидкости в капилляре, не станет эквивалентна по модулю результирующей F н действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра сил поверхностного натяжения: F т = F н , где F т = m g = ρ h π r 2 g , F н = σ 2 π r cos θ .

Из этого следует:

h = 2 σ cos θ ρ g r .

Рисунок 3 . 5 . 6 . Подъем смачивающей жидкости в капилляре.

При полном смачивании θ = 0 , cos θ = 1 . В таком случае:

При полном несмачивании θ = 180 ° , cos θ = – 1 и, соответственно, h 0 . Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода почти полностью смачивает чистую поверхность стекла. Ртуть же, строго наоборот, полностью не смачивает стеклянную поверхность. По этой причине уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже, чем уровень в сосуде.

Поверхностные явле́ния -совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз.

Поверхностные явления обусловлены тем, что в поверхностных слоях на межфазных границах вследствие различного состава и строения соприкасающихся фаз и соответственно из-за различия в связях поверхностных атомов и молекул со стороны разных фаз существует ненасыщенное поле межатомных, межмолекулярных сил. Вследствие этого атомы и молекулы в поверхностных слоях образуют особую структуру, а вещество принимает особое состояние, отличающееся от его состояния в объеме фаз различными свойствами. Поверхностные явления изучаются коллоидной химией.

Поверхностная энергия – энергия, необходимой для выполнения работы по увеличению площади поверхности на единицу.

Измеряется в Дж / м 2 или в эрг / см 2.

По физической сущности поверхностная энергия – это избыточная энергия поверхностного слоя на границе двух фаз, обусловленная разницей межмолекулярных взаимодействий в этих фазах.

Gs=Ns(gs-gv) где Gs- поверхностная энергия; Ns- число частиц на поверхности; gs- средняя энергия частицы находящейся на поверхности; gv- средняя энергия частицы находящейся в объеме фазы.

остей колеблется в значительных пределах и зависит от природы жидкости и температуры(умешьшается с ростом температуры и увеличивается при взаимодействии молекул жидкостей)

50. Поверхностные явления. Поверхностно-активные и поверх-неактивные в-ва

Поверхностные явления (ПЯ) – процессы,происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое, и возникающие в результате взаимодействия сопряженных фаз, имеющих различный состав и строение.

Измеряется в Дж / м 2 или в эрг / см 2.

50. Поверхностные явления. Поверхностно-активные и поверх-неактивные в-ва

Почему мыльные пузыри круглые, а водомерки не тонут? Все это следствия одного и того же физического явления, без которого вода не была бы водой.

О чем эта статья:

Понятие и характеристики поверхностного натяжения

С явлением поверхностного натяжения жидкости мы сталкиваемся каждый день:

капли воды стремятся принять форму, близкую к шарообразной (а в невесомости они совсем шарообразные);
струя воды из-под крана стремится к цилиндрической форме;
булавка не тонет на поверхности воды в стакане;
многие насекомые могут скользить по поверхности воды.

Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности жидкости, стремясь сократить ее площадь. Как будто жидкость заключена в упругую пленку, которая стремится сжать свое содержимое.

Потенциальная энергия взаимного притяжения молекул жидкости примерно равна их кинетической энергии. Это позволяет веществу сохранять объем (но не форму), и этот объем ограничивается поверхностью жидкости.

На молекулу жидкости, которая находится внутри, действуют силы притяжения со стороны других молекул, и они уравновешивают друг друга. А на ту молекулу, что находится на поверхности, действуют силы притяжения не только со стороны других молекул жидкости, но и со стороны газа (внешней среды). Эти вторые значительно меньше первых, поэтому равнодействующая сила притяжения направлена внутрь жидкости, что способствует удержанию молекулы на поверхности.

Поверхностное натяжение — это величина, которая показывает стремление жидкости сократить свою свободную поверхность, то есть уменьшить избыток своей потенциальной энергии на границе раздела с газообразной фазой.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул, которые обладают избыточной потенциальной энергией, и тем больше поверхностная энергия. Этот факт можно записать в виде следующего соотношения:

Поверхностная энергия жидкости

W = σS

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Отсюда мы можем вывести формулу коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения — это физическая величина, которая характеризует данную жидкость и численно равна отношению поверхностной энергии к площади свободной поверхности жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения

σ = W/S

W — поверхностная энергия жидкости [Дж]

S — площадь свободной поверхности [м 2 ]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости зависит:

от природы жидкости;
температуры жидкости;
свойств газа, который граничит с данной жидкостью;
наличия поверхностно-активных веществ (например, мыло или стиральный порошок), которые уменьшают поверхностное натяжение.

Коэффициент поверхностного натяжения не зависит от площади свободной поверхности жидкости, хотя может быть рассчитан с ее помощью.

Если на жидкость не действуют другие силы или их действие мало, жидкость будет стремиться принимать форму сферы, как капля воды или мыльный пузырь. Так же ведет себя вода в невесомости. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, стягивающие эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения

F = σl

F — сила поверхностного натяжения [Н]

l — длина контура, ограничивающего поверхность жидкости [м]

σ — коэффициент поверхностного натяжения [Н/м]

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели, не дающие ей собираться в капли на какой-либо поверхности. Например, их добавляют в жидкие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности пятен после высыхания.

Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом

Поверхностное натяжение, 10 −3 Н/м

Хлорид натрия (водный раствор)

Азотная кислота 70%

Серная кислота 85%

Пример решения задачи

Тонкое алюминиевое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора при комнатной температуре равен 4 × 10 -2 Н/м.

Решение

На кольцо действуют сила тяжести, сила поверхностного натяжения и внешняя сила, с которой отрывают кольцо от раствора.

Так как кольцо соприкасается с раствором и внешней и внутренней сторонами, то сила поверхностного натяжения удваивается:

Контур, ограничивающий поверхность жидкости, имеет форму окружности. Значит, его длина будет равна:

Подставляем в формулу силы поверхностного натяжения:

Условие отрыва кольца от поверхности раствора имеет вид второго закона Ньютона для инерциальных систем отсчета:

Подставляем силу поверхностного натяжения:

F = 0,007 × 10 + 4 × 4 × 10 -2 × 3,14 × 7,8 × 10 -2 = 0,11 Н

Ответ: Для того, чтобы оторвать кольцо от раствора, необходимо приложить силу в 0,11 Н.

Важность поверхностного натяжения

Выше мы уже показали, что поверхностное натяжение встречается в повседневной жизни достаточно часто. Но на самом деле оно встречается еще чаще!

В некоторых отраслях промышленности поверхностное натяжение используют как простой показатель загрязнения продуктов. Поскольку оно определяется на молекулярном уровне, любое изменение компонентов вещества может привести к изменению этого показателя. То есть если мы знаем, каким должно быть поверхностное натяжение совершенно чистого вещества, то по отклонению от этой нормы мы можем установить уровень его загрязнения.

Не только человек, но и представители живой природы используют физические явления в своих целях. Например, за счет поверхностного натяжения насекомые водомерки могут перемещаться по водной глади, не промочив лапки. Конечности водомерки отталкивают воду и захватывают воздух, что позволяет насекомым продавливать поверхность воды, не нарушая ее.

За счет поверхностного натяжения возникает такое любопытное явление, как ламинарное течение. Это упорядоченный режим течения вязкой жидкости или газа, при котором соседние слои жидкости не перемешиваются. Выглядит ламинарная струя так, как будто вода застыла.

И это еще не все: поверхностное натяжение позволяет предметам плавать, благодаря ему выживают и развиваются экосистемы, и даже состав воды стабилен только за счет этого явления. Без него вода бы постоянно находилась на границе двух агрегатных состояний: испарялась и вновь конденсировалась, так как молекулы легко выскакивали бы с ее поверхности.

На этом уроке пойдет речь о жидкостях и их свойствах. С точки зрения современной физики, жидкости являются наиболее сложным предметом исследований, потому что по сравнению с газами уже нельзя говорить о пренебрежимо малой энергии взаимодействия между молекулами, а по сравнению с твердыми телами нельзя говорить об упорядоченном расположении молекул жидкости (в жидкости отсутствует дальний порядок). Это приводит к тому, что жидкости обладают рядом интереснейших свойств и их проявлений. Об одном таком свойстве и пойдет речь на этом уроке.

Наиболее важной характеристикой поверхности является поверхностное натяжение а.

Поверхностное натяжение – это избыточная энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности:

Физическая природа поверхностного натяжения в нескомпенсированности поля межмолекулярных сил на межфазных поверхностях.

Поверхностное натяжение характеризует различия в интенсивности межмолекулярных взаимодействий граничащих фаз. Чем сильнее межмолекулярные связи в веществе, тем больше поверхностное натяжение на его межфазной поверхности.

С термодинамической точки зрения, поверхностное натяжение определяется частной производной от любого термодинамического потенциала по величине площади межфазной поверхности при постоянстве других параметров. Используя потенциал Гиббса (G), можно записать

где р – давление; Т- температура; п. – число молей компонентов.

Поверхностная энергия является частью свободной энергии системы в целом. В самопроизвольных процессах эта энергия может быть снижена либо за счет уменьшения площади поверхности и изменения ее формы, либо за счет снижения поверхностного натяжения.

Факторы, влияющие на поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение на границе раздела фаз между жидкостью и газом определяют следующие факторы: химическая природа вещества, температура, природа граничащих фаз, наличие примесей, заряд поверхности, кривизна поверхности жидкости.

Энергия межмолекулярных взаимодействий зависит от температуры, а значит, имеет выраженную температурную зависимость.

Взаимосвязь поверхностного натяжения, температуры и полной поверхностной энергии (внутренней энергии поверхностного слоя) U_s выражается уравнением Гиббса – Гельмгольца:

Для многих веществ температурные коэффициенты поверхностного натяжения находятся в диапазоне от -0,1 до 0,2 мДж/(м 2 *К).

Рис. 2.1. Зависимость поверхностного натяжения жидкостей от температуры: вода (У), глицерин (2), нитробензол (3), гексан (4).

С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, а теплота образования единицы площади поверхности увеличивается. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между молекулами в жидких телах увеличивается, и соответственно равнодействующая межмолекулярных сил (и, следовательно, поверхностное натяжение) уменьшается. С помощью температурного коэффициента можно определить поверхностное натяжение при любой температуре, если известно значение поверхностного натяжения при какой-то температуре, т. е.

Появление кривизны поверхности из-за стремления системы

к минимуму поверхностной энергии ведет не только к изменению площади межфазной поверхности, но и к появлению избыточного давления внутри фаз. Взаимосвязь между избыточным внутренним давлением в теле и кривизной его поверхности выражается уравнением Лапласа:

Искривление поверхности вызывает повышение или понижение давления в фазе по сравнению с плоской поверхностью фазы такого же химического состава. Очевидно, что это приводит к изменению термодинамических параметров вещества, которые определяют его физические свойства и реакционную способность. Понятие термодинамическая реакционная способность вещества характеризует его способность изменять химический или фазо

вый состав, т. е. вступать в химическую реакцию или переходить в новую фазу (например, испаряться или конденсироваться, растворяться).

У тел с искривленной поверхностью меняется не только внутреннее давление, но и его свободная энергия

Уравнение показывает, что приращение реакционной способности пропорционально 1/r- кривизне поверхности или дисперсности. Чем выше кривизна поверхности или дисперсность, тем выше ее влияние на реакционную способность.

При переходе из газообразного состояния в жидкое

гдер – давление пара над искривленной поверхностью; p_s– давление пара над плоской поверхностью.

Тогда уравнение, записанное для сферической поверхности, называется уравнением капиллярной конденсации Кельвина (Томсона):

Из анализа данного уравнения можно сделать вывод о том, что при положительной кривизне жидкости (капля в невесомости или на поверхности твердого тела при отсутствии или неполной смачиваемости) над ней создается повышенное по сравнению с плоской поверхностью давление пара, т. е. испаряется больше жидкости. При отрицательной кривизне (жидкость, смачивающая капилляр) количество испарившейся жидкости в равновесии с ее паром будет меньше по сравнению с плоской поверхностью; иными словами, конденсация будет происходить при меньшем давлении паров.

При появлении кривизны поверхности и увеличении степени дисперсности уменьшается и температура фазовых переходов.

Свободная энергия единицы поверхности и поверхностное натяжение

3.1. Поверхностные свойства веществ

Если взять частицу внутри жидкости и, рассматривая ее как точку, провести сферу радиуса действия межчастичных сил, то за промежуток времени, больший по сравнению с периодом собственных колебаний, на частицу будут действовать силы, одинаковые во всех направлениях.

Следовательно, силовое поле атомов или молекул в объеме жидкости симметрично. Частицы в глубине и на поверхности имеют разные силовые поля. На поверхности жидкости частица будет испытывать преимущественное притяжение со стороны жидкой фазы. Если вторая фаза — пар или газ, то силами взаимодействия со стороны другой фазы можно пренебречь. Если вторая фаза — жидкость, то равнодействующая будет другая.

В общем случае межчастичные силы на межфазной границе несимметричны. Наличие такой асимметрии силового поля приводит к тому, что появляется равнодействующая, направленная перпендикулярно поверхности. Под действием этой силы поля частица втягивается вглубь жидкости. Если частицы уподобить шарикам, то перемещение подвижных частиц жидкости можно проиллюстрировать следующим рис. 3.3:

Когда частица из поверхностного слоя уйдет в объем жидкости, между оставшимися двумя соседними частицами будут действовать силы притяжения. Силы притяжения между частицами В и С сближают поверхностные частицы, поэтому жидкость самопроизвольно сокращает свою поверхность. Такой характер поведения жидкости обусловлен ее текучестью. Если на жидкость не действуют никакие другие силы, то жидкость принимает форму сферы, обладающей минимальной поверхностью. Если же действуют силы тяжести, то форма жидкости может быть другой. При малом объеме жидкости поверхностные силы намного превосходят силы тяжести и жидкость собирается в сферическую капельку. По мере увеличения объема жидкости эти силы становятся соизмеримыми и получается приплюснутая капля. В случае большого объема жидкости силы тяжести значительно больше поверхностных сил и жидкость принимает форму сосуда.

Если увеличивать поверхность жидкости, то на это увеличение нужно затрачивать работу: δА — работа увеличения поверхности на dω. При обратимом изотермическом процессе эта работа максимальна и равна убыли свободной энергии системы: δАмакс = –dF. Изменение свободной энергии, отнесенной к единице поверхности при постоянных объеме и температуре (V, T = const), называется свободной энергией единицы поверхности, или поверхностным натяжением.

F Работа δА отрицательна, так как работу совершаем мы, а не система. Размерность поверхностного натяжения:

Энергия на единицу поверхности. Эти размерности можно преобразовать:

Сила, действующая на поверхности жидкости, направленная по касательной к этой поверхности. Эту силу называют поверхностным натяжением — это сила на единицу длины, действующая по касательной к поверхности. Количественно свободная энергия единицы поверхности жидкости равна поверхностному натяжению, однако отождествлять их нельзя. Энергия — это скалярная величина, а сила — векторная. Они совпадают только в изотропных средах. В анизотропных средах (кристаллах) эти характеристики могут существенно отличаться. В кристаллических телах сила — не вектор, а тензор. Вектор можно задать тремя числами, а тензор определяется числовой матрицей, т. е. набором чисел. Если этих чисел три, то имеем вектор r (x, y, z). Если состояние напряженное, то надо знать напряжение по различным направлениям.

Натяжение в общем случае нужно рассматривать как тензор. Поэтому в кристаллах нельзя отождествлять свободную энергию и поверхностное натяжение. В жидкости они совпадают количественно, и обычно в литературе их отождествляют:

Поверхностное натяжение жидкостей обычно определяют на границе с их собственным насыщенным паром или инертным газом. Величина свободной энергии зависит от свойств жидкости и является вполне определенной. Поверхностное натяжение жидкости — ее свойство, ее характеристика при данной температуре. Натяжение на границе двух конденсированных фаз (ж1‑ж2, ж‑тв) зависит от свойств каждой жидкости и является их совместной характеристикой. Поэтому его называют межфазным натяжением. Размерность та же.

Для конденсированных фаз при малых давлениях F ≈ G, и обычно технологи пользуются энергией Гиббса. F (V, T), G (P, T) — в скобках записаны независимые переменные.

Правильнее было бы обозначать как σ V и σ Р . σ V — работа образования единицы поверхности при неизменном объеме системы; σ Р — работа образования единицы поверхности при постоянном давлении. Если изменение объема ΔV мало, что характерно для конденсированных фаз, то этими различиями можно пренебречь.

Для чистых жидкостей при малых давлениях PdV → 0 . Если давление большое, то σР > σV на работу против сил внешнего давления. Для чистых жидкостей это справедливо, а для растворов эти понятия не тождественны (т. к. имеем различные структурные коэффициенты). В дальнейшем мы будем рассматривать небольшие давления и считать, что σР = σV

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 2.1.

При конденсации тумана, состоящего из капель кадмия, образовалось 12,5 • 10 -6 м 3 жидкого кадмия. Поверхностное натяжение при температуре конденсации равно 570 мДж/м 2 . Свободная поверхностная энергия всех капель составляла 53 Дж. Вычислите дисперсность и диаметр капель жидкого кадмия.

Пример 2.2.

Рассчитать давление насыщенных паров над каплями воды с дисперсностью 0,1 нм -1 при 293 К. Давление над плоской поверхностью при этой температуре составляет 2338 Па, р = 1 г/см 3 , поверхностное натяжение 72,7 мДж/м 2 , мольный объем 18 • 10 -6 м 3 /моль.

Пример 2.3.

В воздухе, содержащем пары воды, образуется туман при температуре 270 К. Степень пересыщения составляет 3,01. Поверхностное натяжение 73 мДж/м 2 , мольный объем вещества в конденсированном состоянии 18*10 -6 м 3 /моль. Рассчитать критический размер ядер конденсации и число молекул, содержащихся в них.

Пример 2.4.

По экспериментальным данным (табл. 2.1) температурной зависимости поверхностного натяжения найти температурный коэффициент.

Читайте также: