Что такое поверхностная энергия кратко

Обновлено: 07.07.2024

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

Поверхностная энергия, также свободная поверхностная энергия, поверхностная энергия Гиббса — термодинамическая функция, характеризующая энергию межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз. Другое определение поверхностной энергии — это потенциальная энергия, которая сосредоточена на межфазной поверхности (границе раздела фаз), необходимая для образования единицы площади поверхности. Является избыточной по сравнению с энергией в объёме, то есть не равной нулю. Единица измерения в системе СИ — Дж/м2.

Связанные понятия

Квазиуровень Ферми (Quasi Fermi level) — энергия, используемая в физике твёрдого тела как параметр распределения Ферми-Дирака при описании концентрации неравновесных носителей заряда в полупроводнике, которые вызваны освещением или электрическим током.

Вре́мя затуха́ния люминесце́нции (также вре́мя высве́чивания) — параметр люминесценции, определяемый как время, в течение которого интенсивность люминесцентного свечения после снятия возбуждения люминесценции уменьшается в е раз.

Коалесценция (от лат. coalesco — срастаюсь, соединяюсь) — слияние частиц (например, капель или пузырей) внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности тела.

Парахор — комплексное физико-химическое свойство вещества, связывающее поверхностное натяжение жидкости с плотностью жидкости и пара.

Адиабатическое горение — горение, происходящее при постоянном давлении или объёме, при котором отсутствуют потери энергии в окружающую среду. Адиабатическая температура горения — это температура продуктов, достигаемая при полном протекании химических реакций и установлении термодинамического равновесия. Адиабатическая температура горения при постоянном давлении ниже адиабатической температуры горения при постоянном объёме, так как в первом случае часть производимой при реакции энергии затрачивается.

Упоминания в литературе

Как и поверхностная энергия фазы, поверхностное натяжение может иметь положительное или отрицательное значение. Оно положительно, если находящиеся на поверхности частицы взаимодействуют с частицами этой же фазы сильнее, чем с частицами другой фазы (и, следовательно, gs > gv). Согласно принципу минимума свободной энергии любая фаза будет стремиться самопроизвольно уменьшить свою поверхностную энергию, поэтому в случае положительного поверхностного натяжения (δ > 0) фаза стремится уменьшить свою поверхность. Если δ поверхностной энергии почвенных частиц. Поскольку ее величина возрастает с увеличением общей суммарной поверхности частиц, то содержание физически связанной воды зависит от размера минеральных элементов, слагающих почву, и наиболее сильно выражена у илистых и коллоидных частиц.

Гигроскопичность почвы – способность почвы, в силу присущей ей поверхностной энергии , сорбировать на поверхности своих частиц пары воды, содержащиеся в воздухе.

Связанные понятия (продолжение)

Орбиталь — в многоэлектронной системе — не зависящая от спина математическая функция, описывающая движение электрона и используемая в построении полной электронной волновой функции атома или молекулы.

Тепловое воспламенение — протекание экзотермической реакции в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накоплением выделяющегося в ходе реакции тепла, приводящее к резкому повышению температуры системы. В результате в системе может произойти так называемый тепловой взрыв.

Граница раздела (англ. interface) — переходный слой между двумя фазами или поверхность касания двух зерен в поликристаллических материалах.

Эффе́кт Ко́ндо — эффект увеличения электрического сопротивления слаболегированных магнитными примесями немагнитных металлических сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю. Назван в честь японского физика Дзюна Кондо (англ. Jun Kondo), давшего явлению теоретическое обоснование. Температуру, при которой наблюдается минимум сопротивления называют температурой Кондо.

Поляризация химической связи — асимметрия (смещение) электронной плотности, связывающей молекулярной орбитали ковалентной связи.

Теплоёмкость электронного газа — количество теплоты, которую необходимо передать электронному газу для того, чтобы повысить его температуру на 1 К. Она намного меньше по величине при высоких температурах, чем теплоёмкость кристаллической решётки.

Идеа́льными раство́рами называют растворы, в которых предполагается отсутствие взаимодействий между частицами составляющих веществ, а химический потенциал каждого компонента имеет простую зависимость от концентрации.

Электроосмос — это движение жидкости через капилляры или пористые диафрагмы (осмос) при наложении внешнего электрического поля. Электроосмос — одно из основных электрокинетических явлений.

Возвра́т металлов — процесс термической обработки, при котором происходит частичное восстановление физических и химических свойств деформированных металлов и сплавов без видимых изменений структуры.

Молекуля́рные колеба́ния — один из трёх типов молекулярного движения, к которым относятся также трансляционное движение (когда все атомы молекулы смещаются в одном направлении) и вращательное движение (когда молекула поворачивается на определённый угол). В отличие от последних двух случаев, когда геометрия молекулы не меняется, при колебаниях происходит изменение положения атомов относительно друг друга.

Диффузия нейтронов — это хаотическое движение нейтронов в веществе, отношение концентраций. Она аналогична диффузии в газах и подчиняется тем же закономерностям, главной из которых является то, что диффундирующее вещество распространяется от областей с большей концентрацией к областям с меньшей концентрацией. При наличии двух сред нейтроны, попавшие из одной среды в другую, могут в процессе диффузии вернуться в первую среду. Вероятность такого события характеризует способность второй среды отражать.

Уде́льная теплота́ парообразова́ния и конденса́ции — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить количество жидкости с единичной массой в пар , при данной температуре жидкости и без её изменения (температуры) в процессе испарения. Равна удельной теплоте конденсации единичной массы пара в жидкость.

Фермионный конденсат — шестое состояние вещества (после таких состояний как твёрдое тело, жидкость, газ, плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна).

Дальний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе (в жидком или твёрдом состоянии), которая (в отличие от ближнего порядка) повторяется на неограниченно больших расстояниях.

Осаждение плёнок и покрытий на подложку (англ. film and coating deposition on a substrate) — способ получения непрерывных слоёв материала в виде плёнок или покрытий на холодной или подогретой поверхности подложки путём их осаждения из паров (газовой фазы), плазмы или коллоидного раствора.

Электро́дный потенциа́л — ЭДС элемента, составленного из данного электрода и стандартного водородного электрода, электродный потенциал которого принят равным нулю. При этом знак электродного потенциала считают положительным, если в таком гальваническом элементе испытуемый электрод является катодом, и отрицательным, если испытуемый электрод является анодом. Необходимо отметить, что иногда электродный потенциал определяют как "разность потенциалов на границе электрод – раствор", т.е. считают его тождественным.

Вну́тренняя конве́рсия эне́ргии — переход молекулы или атома из высокоэнергетического в более низкоэнергетическое состояние безызлучательным путём. Термин безызлучательный означает, что в ходе этого процесса не происходит испускания фотона. Энергия возбуждённого электронного состояния расходуется на валентные колебания молекулы, в результате чего энергия возбуждения преобразуется в тепло. Главное отличие внутренней конверсии от интеркомбинационной конверсии, которая также является безызлучательным.

Циклотронная эффективная масса — эффективная масса электрона или дырки, возникающая при движении носителей в магнитном поле. В общем случае эта масса не совпадает с эффективной массой носителей, поскольку поверхность Ферми может быть анизотропной и эффективная масса принимает вид тензора. Циклотронную эффективную массу измеряют с помощью метода циклотронного резонанса или магнитотранспортных методах (эффект Шубникова — де Гааза). Знание циклотронной массы позволяет восстановить форму поверхности.

Объёмный мо́дуль упру́гости (модуль объёмного сжатия) — характеристика способности вещества сопротивляться всестороннему сжатию. Эта величина определяет связь между относительным изменением объёма тела и вызвавшим это изменение давлением. Например, у воды объёмный модуль упругости составляет около 2000 МПа; это число показывает, что для уменьшения объёма воды на 1 % необходимо приложить внешнее давление величиной 20 МПа. С другой стороны, при увеличении внешнего давления на 0,1 МПа объём воды уменьшается.

Реологические свариваемость (РС) предлагается в качестве концепции определения надежности свариваемости изделий из термопластов. С практической точки зрения, РС предметов из термопластов оценивается на основе их реологических свойств: вязкости (η) и энергии активации (ЕА). По данным этого критерия, тем меньше вязкость (η) при сварочном процессе и чем меньше абсолютная величина энергии активации ( ЕА ), тем лучше свариваемость.По реологической концепции образование сварного соединения включает два.

Квантовая ёмкость — дополнительная электрическая ёмкость между затвором и двумерным электронным газом (ДЭГ), возникающая благодаря низкой по сравнению с металлами плотностью состояний в ДЭГ. Была впервые введёна Serge Luryi в1988 году для характеристики изменения химического потенциала в инверсионных слоях кремния и ДЭГ в GaAs.

Нуклеация (зародышеобразование) — это первая по времени наступления стадия фазового перехода. На ней образуется основное число устойчиво растущих зародышей новой, стабильной фазы из исходной метастабильной фазы (пересыщенный пар). Начало этой стадии вызвано внешними факторами, создающими метастабильность, а окончание — снижением степени метастабильности из-за перехода части вещества метастабильной фазы в зародыши стабильной фазы. Следующей за стадией нуклеации является стадия коллапса, на которой.

Электрон-фононное взаимодействие в физике — взаимодействие электронов с фононами (квантами колебаний кристаллической решётки).

Ла́зерное ускоре́ние ио́нов — процесс ускорения ионного пучка с помощью сверхсильного лазерного излучения. Обычно процесс ускорения производится при облучении твердотельной мишени, однако существуют схемы ускорения ионов и в газовых мишенях. Наиболее перспективными считаются схемы ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов и световым давлением. При помощи лазерного излучения были получены ионы с энергиями до 55 МэВ.

Уде́льный объём – объём, занимаемый единицей массы вещества; физическая величина, обратная плотности: если.

Коэффициент поглощения — доля поглощения объектом взаимодействующего с ним другого объекта. Взаимодействующим объектом может быть электромагнитное излучение, энергия звуковых волн, ионизирующее или проникающее излучение, вещество (например, газообразный водород).

Уда́рная адиабата, или адиаба́та Гюгонио́, адиабата Рáнкина — Гюгонио́ — математическое соотношение, связывающее термодинамические величины до ударной волны и после.

Оже-рекомбинация — механизм рекомбинации в полупроводниках, при котором лишняя энергия передаётся другому электронному возбуждению.

Проницаемость грунтов — способность грунтов пропускать сквозь себя воду за счёт градиента напора. Связана с одним из важнейших процессов массопереноса в грунтах — фильтрацией воды (или иных жидкостей), изучаемой в инженерной геологии и гидрогеологии.

Изоте́рма адсо́рбции, изоте́рма со́рбции — зависимость количества адсорбированного вещества (величины адсорбции) от парциального давления этого вещества в газовой фазе (или концентрации раствора) при постоянной температуре.

Горе́ние кре́мния — последовательность термоядерных реакций, протекающая в недрах массивных звёзд (минимум 8—11 солнечных масс), в ходе которой происходит превращение ядер кремния в ядра более тяжёлых элементов. Для данного процесса необходимо наличие высокой температуры (2,7—3,5⋅109 K, что соответствует кинетической энергии 230—300 кэВ) и плотности (105—106 г/см³). Стадия горения кремния следует за стадиями горения водорода, гелия, углерода, неона и кислорода; она является финальной стадией эволюции.

Коллоидный кристалл (англ. colloidal crystal) — пространственно упорядоченная система близких по размеру объектов субмикронного размера, свойства которой определяются не только размерами единичных элементов, но и особенностями их взаимного расположения.

Автоэлектронная эмиссия — это испускание электронов проводящими твёрдыми и жидкими телами под действием внешнего электрического поля без предварительного возбуждения этих электронов, то есть без дополнительных затрат энергии, что свойственно другим видам электронной эмиссии.

Капиллярная конденсация — сжижение пара в капиллярах, щелях или порах в твердых телах. Капиллярная конденсация обусловлена наличием у адсорбента мелких пор. Пары адсорбата конденсируются в таких порах при давлениях, меньших давления насыщенного пара над плоской поверхностью вследствие образования в капиллярах вогнутых менисков. Возникновение этих менисков следует представлять как результат слияния жидких слоев, образовавшихся на стенках капилляра вследствие адсорбции паров. Возникновение вогнутых.

Электровзрыв (англ. electric explosion) — метод получения тонкодисперсных металлических, оксидных, нитридных и карбидных порошков с помощью электрического взрыва проводника (металлической проволоки диаметром 0,1-1,0 мм) при прохождении по нему мощного импульса тока длительностью 10-5-10-7 с и плотностью 104-106 А·мм-2.

Разряд на поверхностной волне, англ. Surface-wave-sustained plasmas (SWP) — форма газового разряда, возбуждаемого поверхностными электромагнитными волнами. Поверхностные электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы плазмы могут ей эффективно поглощаться, поддерживая таким образом разряд. Разряд на поверхностной волне позволяет получать однородную плазму в объёме, поперечные размеры которых превосходят несколько длин волн возбуждающего излучения. Разряд на поверхностной волне не следует.

Изотопы гадолиния — разновидности химического элемента гадолиния, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. На 2018 год известны 48 изотопов гадолиния и 16 изомерных метастабильных состояний.

Ква́нтовый эффе́кт Хо́лла в графене или необы́чный ква́нтовый эффе́кт Хо́лла — эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа или двумерного дырочного газа в сильных магнитных полях в графене. Этот эффект был предсказан теоретически и подтверждён экспериментально в 2005 году.

Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя, терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспорт веществ и пр.

Гиперполяризация — поляризация ядерных спинов веществ далеко за пределами теплового равновесия. Гиперполяризованные благородные газы обычно используются при магнитно-резонансной томографии лёгких. Уровень поляризации 129Xe и 3He может в 104—105 раз превышать уровень теплового равновесия.

Газофазный синтез с конденсацией паров или метод испарения и конденсации (англ. gas-phase synthesis with vapour condensation или evaporation-condensation method) — метод получения нанопорошков металлов, сплавов или соединений путём конденсации их паров при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления.

Коэффициент размножения на быстрых нейтронах μ — показатель, учитывающий влияние деления ядер 238U быстрыми нейтронами на ход цепной реакции в реакторе на тепловых нейтронах.

Пуа́з (обозначение: П, до 1978 года пз; международное — P; от фр. poise) — единица динамической вязкости в системе единиц СГС.

Поверхностная энергия. Рассмотрим явления, происходящие на границе раздела жидкости с воздухом или её паром.

В поверхностном слое жидкости проявляется нескомпенсированность молекулярных сил притяжения. В самом деле, любая молекула внутри жидкости со всех сторон окружена соседними (одинаковыми) молекулами, действие которых взаимно компенсируется (см. рис. 54 ). Поэтому здесь молекулярные силы притяжения уравновешиваются и результирующая этих сил равна нулю. Так как концентрация молекул в воздухе (паре) значительно меньше, чем в жидкости, то результирующая сил притяжения каждой молекулы поверхностного слоя молекулами газа меньше результирующей сил её притяжения молекулами жидкости. Таким образом, результирующие сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, направлены внутрь жидкости. Под действием этих сил часть молекул поверхностного слоя втягивается внутрь, число молекул на поверхности уменьшается и площадь поверхности жидкости сокращается до определённой величины.

Толщина поверхностного слоя, в котором проявляется нескомпенсированность сил молекулярного притяжения, приблизительно равна радиусу сферы молекулярного действия (1 нм). Под действием сил межмолекулярного притяжения и вследствие текучести жидкости на её поверхности остаётся такое количество молекул, при котором площадь поверхности минимальна для данного объёма свободной жидкости, т. е. находящейся только под воздействием силы тяжести. Процесс сокращения площади поверхности на этом прекращается, поверхность жидкости остаётся неизменной. В этом состоянии силы притяжения молекул поверхностного слоя, направленные внутрь жидкости, в среднем уравновешиваются силами отталкивания, возникшими при сближении молекул поверхностного слоя с молекулами внутри жидкости, вызванном её сжатием.

Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного притяжения совершат положительную работу. Наоборот, чтобы переместить молекулу, расположенную внутри жидкости, на поверхность (увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу δA_внеш, пропорциональную изменению площади поверхности ΔS. Поверхностный слой состоит из таких же молекул, что и вся жидкость. Отличие лишь в том, что молекулы поверхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией Е_пов.

Поверхностная энергия пропорциональна площади свободной поверхности жидкости:

где σ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения или, кратко, поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение — физическая величина, равная работе внешних сил по увеличению площади поверхности жидкости на единицу площади при сохранении объёма и температуры жидкости неизменными:

Так как потенциальная энергия тела (системы тел) в состоянии устойчивого равновесия минимальна, то наличие поверхностной энергии Е_пов у жидкости обусловливает её стремление к сокращению площади S своей поверхности.

Почему волоски кисточки для рисования красками слипаются после того, как её вынули из воды?

Минимальную площадь поверхности при данном объёме имеют шарообразные тела. Например, капли воды при соприкосновении сливаются в одну, форма которой отличается от сферической из-за воздействия силы тяжести и силы реакции опоры. Чем меньше радиус капли, тем большую роль играет поверхностная энергия по сравнению с потенциальной энергией капли в гравитационном поле Земли и тем ближе форма капель жидкости на опоре к сферической. Поэтому маленькие капельки росы на листьях растений принимают форму, близкую к шарообразной ( рис. 54.1 ).

Докажите, что при слиянии нескольких капель воды в одну при неизменной температуре выделяется энергия.

Подсказка. Считая форму капель сферической, сравните поверхностную энергию всех мелких капель с поверхностной энергией энергией капли, получившейся при их слиянии. Учтите, что объём шара , а площадь его поверхности .

В том, что жидкость стремится принять форму, при которой площадь её поверхности на границе с газом будет минимальной, можно убедиться на опыте. Опустим проволочное кольцо с привязанной к нему нитью в мыльный раствор. Контур кольца, извлечённого из раствора, затянут мыльной плёнкой, а нить в ней размещается случайным образом ( рис. 54.2, а ). Если проколоть плёнку по одну сторону нити, то оставшаяся часть плёнки сократится так, что площадь её поверхности станет минимальной при заданной длине нити ( рис. 54.2, б ). Следовательно, на нить со стороны плёнки действуют силы, удерживающие её в натянутом состоянии и стремящиеся сократить свободную поверхность жидкости.

Наиболее характерным свойством жидкости, отличающим ее от газа, является то, что на границе с газом жидкость образует свободную поверхность, наличие которой приводит к возникновению явлений особого рода, называемых поверхностными. Своим возникновением они обязаны особым физическим условиям, в которых находятся молекулы вблизи свободной поверхности.

На каждую молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих ее молекул, расположенных от нее на расстоянии порядка 10 -9 м (радиус молекулярного действия). На молекулу M₁, расположенную внутри жидкости (рис. 1), действуют силы со стороны таких же молекул, и равнодействующая этих сил близка к нулю.

Для молекул M₂ равнодействующие сил отличны от нуля и направлены внутрь жидкости, перпендикулярно к ее поверхности. Таким образом, все молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, втягиваются внутрь жидкости. Но пространство внутри жидкости занято другими молекулами, поэтому поверхностный слой создает давление на жидкость (молекулярное давление).

Чтобы переместить молекулу M₃, расположенную непосредственно под поверхностным слоем, на поверхность, необходимо совершить работу против сил молекулярного давления. Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией.

Очевидно, что величина поверхностной энергии тем больше, чем больше площадь свободной поверхности.

Пусть площадь свободной поверхности изменилась на ΔS, при этом поверхностная энергия изменилась на \(~\Delta W_p = \alpha \Delta S\), где α — коэффициент поверхностного натяжения.

Так как для этого изменения необходимо совершить работу

\(~A = \Delta W_p ,\) то \(~A = \alpha \cdot \Delta S .\)

Единицей коэффициента поверхностного натяжения в СИ является джоуль на квадратный метр (Дж/м 2 ).

Коэффициент поверхностного натяжения — величина, численно равная работе, совершенной молекулярными силами при изменении площади свободной поверхности жидкости на единицу при изотермическом процессе.

Так как любая система, предоставленная сама себе, стремится занять такое положение, в котором ее потенциальная энергия наименьшая, то жидкость обнаруживает стремление к сокращению свободной поверхности.

Поверхностный слой жидкости ведет себя подобно растянутой резиновой пленке, т.е. все время стремится сократить площадь своей поверхности до минимальных размеров, возможных при данном объеме.

Пример: капля жидкости в состоянии невесомости имеет сферическую форму.

Литература

Читайте также: