Термодинамические параметры поверхностного слоя

Все поверхностные явления, вызванные наличием избыточной энергии удобно классифицировать, используя объединенное уравнение I и II начал термодинамики. Его дифференциальная форма:

где G – энергия Гиббса

S – энтропия

Т – температура

V – объем

P – давление

σ – поверхностное натяжение

s – площадь поверхности

μ_i – химический потенциал i-го компонента

n_i – число молей i-го компонента

φ – электрический потенциал

q – количество электричества (заряд)

 

Уравнение выражает приращение энергии Гиббса через алгебраическую сумму приращений других видов энергии, присущих явлениям на межфазной поверхности.

Поверхностная энергия σds может превращаться:

     1. в энергию Гиббса (соответствует изменению реакционной способности);

     2. в теплоту (соотв. явлениям адгезии и смачивания);

     3. в механическую энергию (явление капиллярности);

     4. в химическую энергию (явление адсорбции);

     5. в электрическую энергию (электрические и электрокинетические явления).

При T, p, n_i, q – const   , т.е.

σ – есть частная производная от энергии Гиббса на площади межфазной поверхности при T. p, ni, q - const. Если объединенное уравнение записать относительно других термодинамических потенциалов (υ, F, H_{энтальп}), то при постоянстве других параметров системы получим:

; ;

Таким образом: σ – есть частная производная от любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности при постоянстве соответствующих параметров системы.

Так как легче всего осуществить постоянство p и T, то σ чаще всего выражают через производную от энергии Гиббса.

Экспериментальные методы определения поверхностного

Натяжения.

Методы определения поверхностного натяжения подразделяются на: статические, полустатические, динамические.

Статические методы.

1. метод капиллярного поднятия.

 - рассчитывается по формуле Жюрена

2. метод уравновешивания пластинки (метод Вильгельми)

 ; , где d – ширина пластинки

Полустатические методы.

1. Метод наибольшего давления в пузырьке.

Под действием приложенного извне избыточного давления ∆p через калибровочный капилляр в объем жидкости продавливается пузырек газа или другой жидкости. Перепад давления при этом связан с поверхностным натяжением формулой , где r – радиус капилляра, z – диаметр пузырька.

2. Метод отрыва кольца (метод Дю - Нуи)

3. Сталагмометрический метод (метод взвешивания капли)

, где r – радиус отверстия наконечника

Динамические методы.

Используются для определения σ твердого тела.

1. метод нулевой ползучести (определяются механические свойства тел).

2. метод расщепления тела (определяется работа создания поверхности).