Поверхностное натяжение как фактор интенсивности поверхностной энергии

Поверхностная энергия и геометрические параметры межфазных слоев.

Основным условием существования межфазной поверхности и дисперсных систем является наличие твердой или жидкой фазы, при этом их объемная структура существенно влияет на свойства поверхностного слоя. В дисперсных системах более инертная фаза определяет форму и строение поверхностного слоя. Для систем Ж / Г и Г / Ж структурообразующей является жидкая фаза, для других типов систем – твердая фаза.

Высокая подвижность молекул жидкости в поверхностном слое и объеме неразрывной фазы обусловлена высокой интенсивностью диффузионных процессов, явлениями испарения и конденсации. Несмотря на то, что интенсивность данных процессов зависит от температуры, межмолекулярные силы обеспечивают поддержание поверхностного слоя жидкости постоянной толщины. Вследствие высокой подвижности молекул жидкости образуют гладкие сплошные поверхности, характеризующиеся свойством эквипотенциальности, т.е. энергетической эквивалентности всех частиц поверхностного слоя.

Поверхности твердых тел значительно более инертны по сравнению с межфазными слоями жидкостей, в то же время следует учитывать пластические свойства твердых тел. Поверхностные слои твердых тел не являются эквипотенциальными: микротрещины, поры, шероховатости обуславливают наличие на межфазной поверхности твердых тел центров избыточной энергии.

Поверхностная энергия выражается уравнением:

G^s = s * s (2.1)

В свою очередь:

Sуд. = S / V (2.2)

Удельная поверхность является функцией дисперсности частиц фазы:

Sуд. = К * D (2.3)

где К – коэффициент, учитывающий форму частиц фазы (для пленки К=2, для капилляра цилиндрической формы К=4, для частиц сферической формы К=3, для частиц кубической формы К=6).

Для частиц неправильной формы дисперсность наиболее точно определяется через величину кривизны поверхности Н:

Н = ½ * dS / dV (2.4)

Поверхностное натяжение – фактор интенсивности поверхностной энергии, обусловленный нескомпенсированным полем межмолекулярных сил на межфазной поверхности.

С точки зрения термодинамики поверхностное натяжение представляет собой частную производную от любого из термодинамических потенциалов системы:

s = (δU / δS)_{s, v, n} = (δH / δS)_{s, p, n} = (δF / δS)_{T, v,n} = (δG / δS)_T,p,n (2.5)

Для практических исследований наиболее применимо определение поверхностного натяжения как частной производной энергии Гиббса по площади межфазной поверхности, так как задаваемые в данном случае граничные условия (постоянные давление и термодинамическая температура) наиболее осуществимы в экспериментальных условиях.

Термодинамическое определение поверхностного натяжения аналогично определению химического потенциала, но поверхностное натяжение характеризует состояние вещества на межфазной поверхности, а химическмий потенциал – состояние вещества в объеме гомогенной фазы.

Способы математического выражения поверхностного натяжения:

1) поверхностное натяжение – это сила направленная тангенциально к межфазной поверхности и приведенная к единицы длины ее периметра (Н / м);

2) поверхностное натяжение – это работа, затрачиваемая на образование межфазной поверхности и приведенная к единице площади поверхности (Дж / м²).

Поверхностное натяжение как термодинамический параметр гетерогенных систем является функцией температуры:

s = s₀ – а * ΔТ (2.6)

где s₀ – поверхностное натяжение жидкости при температуре 298 К;

ΔТ – разность между температурой, при которой определяется поверхностное натяжение и стандартной температурой (298 К);

а – температурный коэффициент поверхностного натяжения, численно равен энтропии поверхностного слоя, взятой со знаком «минус», так как с увеличением температуры поверхностное натяжение и теплота образования поверхностного слоя понижается.

Температурный коэффициент выражается уравнением:

а = δs / δТ (2.7)