Свободная энергия поверхности. Поверхностное натяжение

Поверхность раздела между двумя жидкостями обычно обладает положительной свободной энергией. Межфазное поверхностное натяжение на границе раздела двух жидкостей также положительно. Условием полной смешиваемости жидкостей является выполнение требования, чтобы межфазное натяжение было отрицательным или равным нулю. В таком случае молекулярные силы не будут препятствовать смешению жидкостей, так как каждая из них притягивает молекулы другой с такой же или с большей силой, чем сила, с которой каждая жидкость притягивает свои собственные поверхностные молекулы. В этом случае молекулы свободно перемещаются из одной жидкости в другую. На поверхности раздела жидкость — жидкость молекулы ориентируются таким образом, чтобы энергия их взаимодействия была максимальной [210]. [c.192]

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ПОВЕРХНОСТИ Поверхностное натяжение [c.113]

Свободная энергия, отнесенная к единице площади поверхности, эквивалентна поверхностному натяжению, определяемому как сила, действующая на единицу длины. Концепции поверхностной свободной энергии и поверхностного натяжения иллюстрируют два следующих примера. Рассмотрим сначала мыльную пленку, натянутую на проволочную рамку, одна сторона которой подвижна (рис. 1-1). Как показывает опыт, на подвижный элемент действует сила, направление которой про- [c.9]

Поверхностные силы. Свободная поверхностная энергия является мерой работы, затрачиваемой на образование единицы поверхности. Эта величина не может быть определена непосредственно, как в жидкостях, у которых поверхностная энергия и поверхностное натяжение численно совпадают. [c.8]

Свободная энергия поверхности жидкости Р определяется произведением коэффициента поверхностного натяжения а (его можно рассматривать как свободную энергию единицы поверхности) и величины общей поверхности 5, т. е. Р=аЗ. [c.353]

Каждая поверхность твердого тела и каждая поверхность раздела между твердым телом и другой фазой характеризуются поверхностной свободной энергией и поверхностным натяжением. Первая, являясь скалярной величиной, представляет собой количество энергии, требующееся для получения единицы новой поверхности. Поверхностное натяжение выражает силу (на 1 см, необходимую для расширения поверхности. Обе эти величины равны друг другу для жидкости, но не равны для твердого тела. Причина такого различия состоит в том, что в жидкости упорядоченность расположения может иметь лишь ближний порядок, поэтому, когда жидкость подвергается действию усилий сдвига, напряжения, возникающие в ней, снимаются местной перегруппировкой атомов или молекул. С другой стороны, так как сила, вызывающая сдвиг, уменьшается при уменьшении скорости деформации, в пределе она равна нулю. Следовательно, условия равновесия жидкости, подверженной действию поверхностных сил, могут быть четко установлены. В твердом теле напряжения могут быть сняты только в результате перемещений составляющих атомов, и, чтобы получить остаточную деформацию, нужно приложить определенное критическое напряжение сдвига. В дополнение к этому следует указать, что реальные твердые тела характеризуются наличием дислокаций, которые не находятся в тепловом равновесии и, перемещаясь, могут быть причиной сдвига. Изменение энергии, обусловленное поверхностными силами, поэтому учитывается двумя членами, один из которых связан с изменением поверхностной энергии, другой — с изменением энергии дислокаций. [c.155]

Работа, затраченная на образование 1 см поверхности раздела фаз, или эквивалентная ей свободная энергия, называется поверхностным натяжением. [c.18]

На границе раздела двух фаз можно выделить пограничный слой, так называемую поверхностную или пограничную фазу. Она обладает избытком свободной энергии по сравнению с каждой из граничащих фаз. Избыточная энергия, отнесенная к единице поверхности раздела фаз, т. е. удельная свободная энергия, называется поверхностным натяжением а и имеет размерность эрг-см или дин-см- . Часто ее рассматривают как величину, характеризующую избыток сил взаимного притяжения над силами отталкивания. Величина избыточной поверхностной энергии зависит от разности потенциалов между двумя фазами. Электрокапиллярные явления отражают связь, существующую между поверхностным натяжением и разностью потенциалов на границе двух фаз. Графически эта связь выражается в виде так называемых электро-капиллярных кривых. Впервые электрокапиллярные явления были исследованы на границе ртути и водных растворов электролитов Липпманом (1875), который использовал для этой цели сконструированный им капиллярный электрометр. В дальнейшем его исследования были продолжены Гуи (1910) и Фрумкиным (1919), а также Батлером, Крюгером, Грэмом, Парсонсом и др. [c.242]

Почему же в научной литературе понятие поверхностная свободная энергия и поверхностное натяжение оказались объеденными как единое понятие Вероятно потому, что одни исследователи изучали жидкости и здесь совершенно естественно понятие о поверхностном натяжении как о поверхностной пленке, стягивающей каплю жидкости в шаровидную форму. Другие исследователи изучали твердые тела, где измерить собственно поверхностное натяжение очень трудно, да и представить его по отношению к пим затруднительно. Поэтому они приняли понятие о свободной энергии веществ. Причем когда специалисты по твердым веществам изучали поверхностное натяжение, то они принимали его как поверхностную энергию. Но специалисты по спеканию порошков обращали внимание, что причиной спекания является более низкая температура плавления поверхностного слоя, связанная, по их мнению, с более значительными тепловыми отклонениями атомов в сторону поверхности в 2 — 4 раза. Но они не делали никаких выводов из того, что это явление отклонения можно использовать для пересмотра представлений о свободной поверхностной энергии. Просто говорили, что так можно объяснить спекание порошков за счет разупорядочивающего фазового перехода и все. [c.609]

Поскольку поверхность жидкости сокращается самопроизвольно, существует свободная энергия поверхности, которую необходимо затратить при ее расширении. Эта свободная энергия имеет первостепенное значение для решения задач, относящихся к равновесию поверхностей. Для удобства математических расчетов введено искусственное понятие гипотетического поверхностного натяжения, действующего вдоль поверхности и численно равного свободной поверхностной энергии. [c.186]

Поверхностное натяжение и смачивающая способность силикатных расплавов. Как уже было отмечено, в технологии силикатов в процессе переработки исходных сырьевых материалов при высоких температурах материал, как правило, переходит частично в расплавленное состояние. Это приводит к появлению границ раздела фаз разных типов твердое — жидкость и жидкость — газ, причем твердое вещество, как правило, состоит из двух и более конкретных фаз. На границе раздела фаз атомы или молекулы находятся в особом состоянии, отличном от их состояния в объеме вещества. Это объясняется тем, что в отличие от атомов, находящихся внутри вещества, которые со всех сторон координированы (окружены) другими атомами и сила взаимодействия которых с соседними атомами компенсирована, атомы на поверхности окружены соседними только частично, вследствие чего часть их силы притяжения не компенсируется и не используется для связи с решеткой. Это приводит к тому, что поверхностные атомы обладают избытком свободной энергии. Полная поверхностная энергия Es представляет собой сумму свободной поверхностной энергии ст и скрытой теплоты образования поверхности д [c.114]

Нефтяные ДС состоят из дисперсионной среды (углеводороды с растворенными гетероатомными соединениями) и дисперсной фазы (газы, пары, воздух, мехпримеси, органические осадки). На поверхности раздела фаз имеется избыточная энергия, создающее поверхностное натяжение и внутреннее давление в ДС. Поверхностное натяжение - это работа образования единицы новой поверхности или сила, касательная к поверхности, стремящаяся сократить свободную поверхность до наименьщих размеров при заданном объеме. [c.46]

Капля жидкости А, находящаяся на поверхности жидкости В (рис. 4.1, а), растекается и при этом покрывает дополнительную площадь на поверхности жидкости В. В результате растекания увеличивается свободная поверхность жидкости А и поверхность контакта обеих жидкостей АВ при этом происходит соответствующее уменьшение свободной поверхности В. Поскольку поверхностное натяжение равно удельной свободной энергии поверхности, этот процесс приводит к следующему изменению значений удельной свободной поверхностной энергии рассматриваемых поверхностей [c.80]

Твердые частицы, контактирующие друг с другом при повышенных температурах, проявляют тенденцию к уменьшению общей площади поверхности путем коалесценции. Этот процесс называется спеканием [19]. Он обычно сопровождается уменьшением общего объема слоя макрочастиц. Как показано в разд. 4.1, уменьшение площади поверхности раздела приводит к изменению свободной поверхностной энергии. Поэтому поверхностное натяжение становится стимулирующей силой в процессе коалесценции. Процесс спекания при уплотнении развивается в две стадии на первой происходит развитие поверхности раздела и перемычек между смежными частицами при незначительном изменении плотности, на второй — последующее уплотнение за счет исключения пустот внутри самой частицы. [c.278]

Если тонкий слой нанесен на поверхность жидкости, то удельная свободная поверхностная энергия системы в целом достигает значения отличного от удельной свободной поверхностной энергии Оо жидкой подложки. Соответствующее изменение (понижение) поверхностной энергии или поверхностного натяжения А = = а о—имеет смысл двумерного поверхностного давления аналогично подробно рассмотренному случаю мономолекулярных слоев нерастворимых веществ на жидкой поверхности. При увеличении площади слоя на с10 и соответственно при уменьшении площади свободной поверхности на такую же величину изменение свободной энергии при постоянных температуре и количестве п вещества в слое (или при постоянном объеме слоя V = Ок) будет определяться производной [c.163]

При отсутствии стабилизатора свободная поверхностная энергия коллоидной системы падает за счет уменьшения величины поверхности 5 (происходит коагуляция). Чтобы предотвратить агрегирование частиц, добавляют стабилизатор, который при неизменной величине поверхности снижает свободную поверхностную энергию, уменьшая поверхностное натяжение а. [c.20]

Для рассмотрения явлений адсорбции растворенного вещества на границе раствор — газ молекулярно-кинетические представления, которыми мы широко пользовались в предыдущей главе, мало пригодны. Здесь гораздо целесообразнее рассматривать явления с термодинамических позиций и связывать адсорбцию растворенного вещества с изменением свободной энергии поверхности или ее поверхностного натяжения. [c.114]

Таким образом, с физической точки зрения, поверхностное натяжение жидкости на границе раздела фаз - это мера положительной свободной энергии молекул поверхностного слоя, обусловленной их втягиванием с этой поверхности в объем жидкости, и наоборот. Исчезновение поверхностного натяжения между двумя жидкостями соответствует исчезновению границы раздела между ними и полной их смешиваемости. [c.8]

Рассмотрим жидкость со свободной поверхностью 5, находящуюся в некотором сосуде (рис. 13,а). Наклонив сосуд, можно увеличить поверхность жидкости на величину А5 (рис. 13,6), при этом определенное число молекул, которые до этого были в объеме, выходят на поверхность. Согласно сказанному, для перемещения новых молекул на поверхность необходимо совершить работу. Так как число вышедших на поверхность молекул пропорционально вновь образовавшейся поверхности А5, то, наклоняя сосуд, кроме чисто механической работы, связанной с изменением центра тяжести сосуда, мы совершим и работу по увеличению поверхности. Эта работа, отнесенная к единице поверхности, называется удельной поверхностной энергией, или поверхностным натяжением у [c.42]

Адгезия — сложный комплекс физико-химических явлений, в основе которых лежит молекулярное взаимодействие приведенных в контакт разнородных материалов. Это взаимодействие вызывает уменьшение свободной энергии системы. Оперируя такими термодинамическими понятиями, как свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение, можно описать некоторые этапы адгезионного взаимодействия, например смачивание адгезивом поверхности субстрата. Разумеется, смачивание — это также проявление молекулярных сил, проявление сродства адгезива к субстрату. Изучение смачивания представляет интерес в том отношении, что позволяет выявить сродство адгезива к субстрату, сравнивать молекулярные силы, действующие в различных системах адгезив — субстрат. Поэтому большой интерес проявляется к термодинамическому аспекту адгезионного взаимодействия. Прежде чем перейти к рассмотрению этой стороны [c.52]

Со времени этих исследований, которые привели Д. И. Менделеева к открытию критической температуры, было проведено большое количество работ, установивших зависимость между величиной поверхностного натяжения или величиной свободной энергии поверхности и другими свойствами жидкостей. Хотя проведенные работы и подтвердили правильность предположений Д. И. Менделеева, тем не менее, и до сих пор высказанные Д. И. Менделеевым идеи не доведены до состояния полно разработанной теории. [c.21]

Используя теории плотного и диффузного слоев, рассмотренные в первых разделах этой главы, можно оценить, в какой степени изменение потенциала на поверхности раздела ртуть-—раствор электролита связано с изменением адсорбции различных ионов. Более того, электрокапиллярный метод позволяет непосредственно оценить изменение свободной энергии поверхности раздела. Далее с помощью уравнения Гиббса можно рассчитать поверхностные избытки, а из кривой зависимости поверхностного натяжения от потенциала найти поверхностную плотность заряда. В результате представляется возможным непосредственно определять основные параметры двойного слоя. Таким образом, казалось бы, ничем не примечательный электрокапиллярный эффект становится мощным методом исследования структуры межфазной области поверхностей раздела типа металл — раствор. [c.179]

Имеет смысл упомянуть еще некоторые связанные с поверхностными свойствами твердого тела вопросы, которые здесь подробно не рассматриваются, поскольку они обсуждаются в других разделах. Прежде всего речь пойдет об определении поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело — жидкость по растворимости (разд. УП-2) и по данным о зародышеобразовании (разд. У1П-3). Изменение, или разность, свободных поверхностных энергий на границе раздела твердое тело — пар можно находить также из данных по адсорбции газов (разд. УП1-3), а соответствующие разности поверхностных энергий — по данным о теплотах смачивания (разд. УП-З). Измерения краевых углов дают разность поверхностных энергий на поверхностях раздела твердое тело —пар (разд. УП-4). В гл. IV количественно оценивается влияние потенциала на свободную энергию поверхности раздела твердое тело — раствор электролита. [c.222]

Рассмотрим поверхностный слой жидкости и кристалла. Молекулы, находящиеся в поверхностном слое, испытывают силы, направленные внутрь жидкости или кристалла для того, чтобы внутренние молекулы перевести на поверхность, нужно совершить некоторую работу, которая переходит в потенциальную энергию. Поверхностные молекулы обладают большей потенциальной или свободной энергией сравнительно с теми молекулами, которые находятся внутри кристалла или жидкости. Эта дополнительная энергия, отнесенная к 1 см поверхности, называется поверхностной энергией или поверхностным натяжением о- [c.185]

Смачивание, поляризация поверхности и электрокапиллярные явления. Удельная свободная поверхностная энергия, или поверхностное натяжение, на границе твердого тела с жидкостью утж зависит от разности потенциалов контактирующих фаз. Изменения Утж скажутся на адгезии и в соответствии с уравнением (1,7) на значении краевого угла, т. е. на смачивании. [c.192]

Переход через границу раздела связан с существенным изменением свободной энергии. Поэтому поверхностное натяжение па границе раздела жидкостей может затруднять диффузию мономеров в тот период, когда полимерная пленка вообще отсутствует, причем диффузию затрудняет не только сама граница раздела, но и пограничные слси жидкости обеих фаз. В литературе имеются сведения о влиянии величины поверхностного натяжения на коэффициент массопередачи межлу жидкостями. В некоторых случаях сопротивление самой поверхности раздела равно 50% от суммарного сопротивления переходу из фазы в фазу . По другим данным, увеличение поверхностного натяжения приводит к уменьшению скорости межфазной диффузии компонентов (табл. 45). [c.207]

Адсорбция на твёрдых телах 4 Газы адсс-рбируют .н на твёрдых телах в результате взаимодействия ненасыщенных силовых полей поверхностных атомов твёрдого тела с силовыми полями молекул, подлетающих к твёрдой поверхности из любого газа или жидкости, находящихся в соприкосновении с твёрдым телом. Таким образом, свободная энергия, или поверхностное натяжение твёрдой поверхности уменьшается, в большинстве случаев, вероятно, на очень незначительную часть своего первоначального значения, причём, поскольку в настоящее время нет надёжных методов измерения поверхностного натяжения твёрдых тел, истинное понижение свободной энергии может быть оценено лишь косвенным путём, но не измерено непосредственно. [c.333]

Это объясняется тем, что силы взаимодействия молекул, расположенных в поверхностном слое (равном по толщине радиусу молекулярных сил), лишь частично компенсируются однородными молекулами. С некомненспрованностью молекулярных сил связано и наличие избыточной свободной энергии поверхности. Эта свободная энергия, отнесенная к единице поверхности, называется поверхностным натяжением и выражается в эрг1см или dunj M. С понижением свободной энергии в поверхностном слое (поверхностного натяжения) самопроизвольно начинается процесс [c.190]

Следовательно, замена удельной поверхностной энергии коэффициентом поверхностного натяжения не может внести какие-либо ошибки в расчеты при решении задач, относящихся к равновесию поверхностей. Необходимо, однако, подчеркнуть, что хотя поверхность жидкости сркращается так, как если бы поверхностный слой являлся пленкой с постоянным натяжением, все же в действительности никакой пленки на поверхности жидкости не существует. Специфические же особенности поверхностного слоя связаны с наличием у жидкости свободной поверхностной энергии, имеющей вполне реальный физический смысл [c.329]

Как известно, степень заполнения подложки ОН-группами проявляется в той или иной степени гидрофильности поверхностн образца. Химический контроль степени гидроксилирования по-верхности пластин кремния или кварца ввиду ее малой величины весьма затруднителен, поэтому ее определяют по изменению краевого угла смачивания поверхности жидкой водой, Равновесный краевой угол представляет одну из важнейших характеристик смачивания. Величина этого угла может бьт, оценена исходя из известного положения термодинамики о том, что в состоянии равновесия свободная энергия системы минимальна, Энергетическими характеристиками поверхности твердого тела в контакте с жидкостью являются удельная свободная поверхностная энергия н поверхностное натяжение а. Для определения условия равновесия фаз при смачивании рассчитьь вают работу, связанную с изменением площадей контакта. Зависимость равновесного краевого угла 0о от поверхностного натяжения на границе раздела трех фаз твердой подложки, жидкой капли и окружающей их газовой атмосферы, выражается уравнением [c.79]

Для случая смачивания поверхности чистой водой (однокомпонентная система) свободная поверхностная энергия равна поверхностному натяжению. Из этого условия и уравнений (3,1) и (3,2) можно выразить угол смачивания через работу адгезии и работу К0ГСЗИ1Г, [c.79]

Авторы работы [461] исследовали дисперсные системы, состоящие из частиц кремнезема, полностью гидрофобизиро-ванных метилсилильными группами, способными покрывать поверхность в системе пропанол—вода. Наблюдалось, что поверхность частиц и значения поверхностного натяжения подобны соответствующим значениям для парафина. Смачивание порошка происходило в водно-спиртовых смесях, содержащих более 15% пропанола, 32% этанола и 50% метанола. По-видимому, диспергирование обусловливается не электростатическим отталкиванием, а скорее свободной энергией поверхности раздела, которая имеет непосредственное отношение к процессу смачивания. [c.571]

В термодинамической теории фазовых превращений рассматривается лишь равновесие между исходной и новой фазами при допущении, что последняя фаза достигла полного развития и поверхность раздела между обеими фазами является плоской. При этом под температурой перехода понимают температуру, при которой обе фазы могут оставаться в равновесии друг с другом неограниченно долгое время. Образование и начальное развитие новой фазы с достаточной для ее обнаружения скоростью возможно только при некотором отступлении от условий равновесия. Отступления от условия равновесия могут быть гораздо более существенными, чем необходимо для роста новой образующейся фазы. Фазовый переход пар— жидкость (жидкость— кристалл) возможен только в том случае, когда исходная паровая фаза оказывается в состоянии, исключаемом из рассмотрения в обычной термодинамике как термодинамически неравновесное. Оно может сохраняться в течение более или менее продолжительного времени, поскольку скорость возникновения новой фазы достаточно мала. Подобные состояния называются ме-тастабильными. Возникновение новой фазы в метастабильной паровой фазе происходит в форме зародышей, которые рассматриваются как маленькие капельки. Предположение, что маленькие капельки или комплексы частиц отличаются от макроскопических тел в жидком состоянии только своими размерами, не может считаться правильным [97]. В случае зародышей малых размеров в чрезвычайной степени возрастает роль поверхностной энергии и поверхностного натяжения при оценке общей и свободной энергии образуемой ими системы. Кульер в 1875 г. и Айткен в 1880 г. [98] обнаружили, что для образования облака путем адиабатического расширения влажного воздуха необходимо наличие маленьких частиц ш.ши. Если же воздух пыли не содержит, то образование облака начинается только при очень сильном расширении. [c.825]

Молекулы веществу находящиеся на поверхности раздела жидкость—газ, втягиваются внутрь жидкости, поэтому поверхность стремится сократиться, что возможно лишь при наличии свободной энергии. Увеличение поверхности (диспергирование, дробление) сопровождается затратами энергии. Работа, затрачиваемая на создание единищ, щщр поверхности, равна свободной энергии поверхности.у = ( 4/<аВ. Полная поверхностная энергия /у = у + Г й у/ Т. Удельная свободная поверхностная энергия измеряется в Дж/м (или эрг/см ) и численно равна поверхностному натяжению. Поверхностное натяжение — сила, с которой стремется к сжатию расположенная на поверхности полоска жидкости шириной в 1 см. Измеряется в Н/м (или в дин/см). С ростом температуры поверхностное натяжение жидкости умещ.шается и при критической температуре обращается в нуль. [c.761]

Поверхностно-активные вещества снижают поверхностное натяжение материала. Это воздействие не сопровождается необратимыми изменениями структуры. Дефекты структуры являются теми точками образца, на которых осуществляется адсорбция молекул активной среды. Разрушение всегда сопровождается образованием новой по)5ерхности последний процесс существенно облегчается и ускоряется, если свободная энергия поверхности (численно равная работе ее образования) уменьшается по сравнению с этой величиной, определенной в вакууме. [c.163]

Величина свободной энергии поверхности может быть определена работой, необходимой для образования единицы поверхности, и должна иметь размерность эрг на 1 см . Если для образования 1 см поверхности приложить усилие а дин на см, то работа окажется равной а эрг на см , т. е. числовое значение поверхностного натяжения, выраженного в динах на сантиметр, равно величине в эргах на 1 см . Таким образом при рас-смотрании явления поверхностного натяжения с точки зрения молекулярной теории понятие поверхностного натяжения как какой-то силы, действующей тангенциально к поверхности, заменяется понятием о свободной энергии поверхности при этом числовые значения обеих этих величин остаются одинаковыми. [c.228]

Автор полагает, что при выборе концепции необходимо учитывать, меняются или не меняются межмолекулярные расстояния при изменении величины поверхности. Так, для жидкостей, природа поверхности которых не зависит от ее размеров, концепция поверхностной энергии представляется более предпочтительной. Для тонких пленок и твердых поверхностей могут оказаться необходимыми сведения о натяжении поверхности. При этом поверхностную свободную энергию и поверхностное (возможно, анизотропное) натял ение рассматривают как две различные величины. Последний вопрос более полно обсуждается в гл. V. За исключением некоторых особо указанных случаев, в данной книге поверхностное натяжение и поверхностная свободная энергия используются как равнозначные понятия. [c.52]

К твердым поверхностям, так же как и к жидкости, применимо понятие об удельной свободной поверхностной энергии и поверхностном натяжении. Однако при трактовке этих терминов следует учесть, что поверхность твердого тела энергетически неоднородна, а молекулы твердых тел не обладают такой подвижностью, которая присуща жидкостям. Поэтому при определении поверхностных натяжений твердого тела сТтг и утш по формуле (1,2) можно получить лишь средние значения этих величин. [c.10]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология