2015-04-01
2561
Поверхность раздела фаз всегда является местом возникновения силового поля вследствие некомпенсированности молекулярных сил в межфазном пространстве.
Рассмотрим жидкость, над которой находится воздух. Эта система включает две фазы (жидкую и газообразную) разделенные межфазной границей. На Рис.32 выбраны для рассмотрения две молекулы – внутри водной фазы и на поверхности раздела фаз. Эти молекулы схематически изображены в виде точек. Силы притяжения со стороны окружающих молекул изображены стрелками.
На молекулу жидкости, находящуюся в ее толще, со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, уравновешивающие друг друга; равнодействующая сил притяжения равна нулю (Рис.32, 
). На молекулу же, находящуюся на границе воздух-жидкость сверху и снизу действуют разные по величине силы: притяжение со стороны воздуха меньше, чем со стороны молекул жидкости. Равнодействующая всех сил взаимодействия не равна нулю и направлена вниз нормально к поверхности жидкости (Рис.32, 
). Действию таких некомпенсированных сил подвержены молекулы поверхностного слоя жидкости, равного по толщине радиусу сферы притяжения (слой, толщиной в несколько молекул, порядка 10-7 см). Под действием этих сил молекулы жидкости стремятся уйти в глубь жидкой фазы. В результате, приповерхностный объем жидкости оказывается «обедненным» молекулами воды по сравнению с аналогичным объемом внутри фазы и характеризуется другими силами межмолекулярного взаимодействия. В связи с этим поверхностный слой характеризуется избыточной энергией по сравнению с любым другим слоем, выбранным внутри жидкой фазы.
|
|
|
Рис.32. Иллюстрация сил, действующих на молекулы воды в поверхностном слое и внутри водной фазы.
Мерой напряженности молекулярно-силового поля в поверхностном слое является межфазное поверхностное натяжение s, Дж/м2.
Поверхностное натяжение s есть избыток энергии (по сравнению со свободной энергией в глубине каждой из соприкасающихся фаз) на единицу площади раздела фаз S. Поверхностное натяжение представляет собой частные производные термодинамических потенциалов по площади раздела фаз.
;
;
;
Возможны и другие способы введения поверхностного натяжения: Поверхностное натяжение – работа W, необходимая для увеличения площади раздела фаз на единицу:
Поверхностное натяжение – сила F’, действующая на единицу длины поверхностного слоя
Здесь F’ - сила поверхностного натяжения. Эта сила направлена по касательной к поверхности жидкости
Единицы изменения поверхностного натяжения – Дж/м2 или н/м.
Рассмотрим для определенности условия Т=const, V=const. В этом случае условием возможности процесса является dF<0.
|
|
|
Для большинства неассоциированных однокомпонентных жидкостей наблюдается линейное падение поверхностного натяжения с ростом температуры в довольно широком температурном интервале. Отклонения от линейности наблюдаются только при температуре, на несколько градусов ниже критической (Ткр .). При критической температуре поверхностное натяжение обращается в ноль.
Самопроизвольное изменение избытка свободной энергии поверхностного слоя
(dF = 
ds + sd < 0)
может идти двумя путями:
1) Поверхностное натяжение s постоянно, изменяется только площадь поверхности .
2) Площадь поверхностного слоя постоянна, изменяется только поверхностное натяжение s.
К первой категории возможных процессов относятся те, в которых значение поверхностного натяжения постоянно, но может меняться только величина поверхности раздела. Примером таких процессов является стремление капли жидкости принять форму шара (удовлетворяющую условию минимума замкнутой поверхности при данном объеме).
Во втором случае, когда поверхность раздела закреплена, все самопроизвольные процессы сводятся к уменьшению поверхностного натяжения. Такими являются все адсорбционные процессы, т.е. явления сгущения в поверхностном слое массы компонентов, понижающих своим присутствием поверхностное натяжение. Самопроизвольный процесс понижения поверхностного натяжения будет продолжаться до тех пор, пока поверхностное натяжение не достигнет минимального значения, возможного в данных условиях.
