Класифікація поверхневих явищ

Для класифікації поверхневих явищ використаємо об’єднане рівняння І і ІІ законів термодинаміки для рівноважних систем з врахуванням поверхневої енергії:

dG = -SdT + Vdр + Sm_idn_i + jdq + sdS (2.1)

n_i - кількість молів і-го компоненту;

q - кількість електрики;

s - поверхневий натяг;

S – площа поверхні.

Поверхнева енергія (sdS) може змінюватися за рахунок зміни:

1) енергії Гіббса (dG);

2)теплоти (SdT);

3)виконання роботи (Vdp);

4)хімічної енергії (Sm_idn_i);

5)електричної енергії (jdq).

Згідно другого закону термодинаміки в ізобарно-ізотермічних умовах самочинно відбуваються процеси, які йдуть зі зменшенням енергії Гіббса dG<0. Якщо вважати, що всі параметри рівняння (2.1) крім s і S не змінюються, або їх зміна в порівнянні зі зміною s і S незначна, тоді зміна енергії Гіббса дорівнює:

dG = d(s·S) (2.2)

dG = sdS + Sds (2.3)

а) якщо площа міжфазної поверхні залишається незмінною, то:

S=const, dS=0, dG = Sds

в цьому випадку будуть відбуватися процеси, в результаті яких зменшується поверхневий натяг (ds<0): адгезія, адсорбція, електричні та теплові явища на поверхні;

б) якщо поверхневий натяг залишається незмінним, то:

s=const, ds=0, dG = sdS

будуть відбуватися процеси, в результаті яких зменшується площа міжфазної поверхні (DS<0): утворення рівної або сферичної поверхні, укрупнення частинок, коагуляція, коалесценція, ізотермічна перегонка.

 

2.2. Поверхневий натяг

 

Поверхневий натяг – це термодинамічна характеристика поверхні розділу фаз. Поверхневий натяг дорівнює роботі W, яку необхідно виконати в ізотермічних умовах для утворення одиниці площі S поверхні. Поверхневий натяг, це відношення сили F, що діє по дотичній до поверхні, до довжини периметра l цієї поверхні.

s = W/S = F ⁄ l [Дж⁄м²], [H⁄м]

 

Поверхневий натяг може бути записаний, як часткова похідна від будь-якого термодинамічного потенціалу системи по площі міжфазної поверхні при відповідних постійних параметрах системи.

(2.4)

питома енергія Гіббса поверхні - G_S, це енергія Гіббса одиниці поверхні. Енергія Гіббса поверхні з площею S дорівнює:

G = G_S ·S (2.5)

Після диференціювання виразу (2.5) одержуємо:

dG = dG_S ·S + G_S ·dS; (2.6)

(2.7)

Для індивідуальних речовин питома енергія Гіббса поверхні не змінюється зі зміною площі поверхні (∂G_S/∂S)=0, тому поверхневий натяг дорівнює питомій енергії Гіббса поверхні.

s = G_S (2.8)

Для розчинів G_S = f(S) i G_S ≠ s

Поверхневий натяг рідин є однаковий у будь-якій точці, у той час, як поверхневий натяг твердих тіл залежить від кристалічної решітки, форми поверхні і є параметром усереднення.

Значення поверхневого натягу для різних речовин наведено в табл.2.

Таблиця 2

Поверхневий натяг деяких речовин на межі з повітрям при 298К.

Речовина	s, мДж/м^2	Речовина	s, мДж/м^2
Гексан	17,9	Вода	71,95
Етанол	22,1	Ртуть	473,5
Аміак (р)	24,25	кварцове скло (тв)
Чотирихлористий вуглець	25,02	Алюміній (тв)
Бензол	28,2	Залізо (тв)
Мурашина кислота	36,6	Вольфрам (тв)
Анілін	43,2	Алмаз