Процессы на поверхности раздела фаз

Реанимация эффективна, если отмечается: - видимое раздувание грудной клетки в момент ИВЛ; - регистрация пульса на сонных и периферических артериях при

массаже сердца;

- определение артериального давления порядка (100/10 мм рт.ст. в

виде пиков) во время массажа сердца; - сужение ранее расширенных зрачков;

- появление спонтанного дыхания, сердцебиения, АД, восстановление сознания.

Реанимацию продолжают до тех пор, пока она эффективна и даёт надежду на спасение больного. Цена этой напряжённой и физически тяжёлой работы - жизнь больного.

Реанимационные мероприятия прекращают при их неэффективности (в течение 30 мин): - широкие зрачки; - отсутствие сердцебиения; - отсутствие дыхания; - отсутствие сознания.

Процессы на поверхности раздела фаз

1. Поверхность раздела фаз. Молекулярные взаимодействия и особые свойства поверхности раздела фаз. Основные представления термодинамической теории Гиббса о поверхностном слое на границе раздела двух фаз. Основные термодинамические параметры поверхностного слоя, их физико-химический смысл.

ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА ФАЗ - граничная поверхность между различными фазами вещества.

В понятие поверхности, или границы раздела фаз, прежде всего вкладывается геометрический смысл, т. е. нечто нематериальное, что разграничивает две соприкасающиеся материальные фазы.

В математическом смысле это — двухмерный объект, не имеющий третьего измерения, т. е. толщины, массы и т. п. При таком понимании поверхность характеризуется величиной площади и кривизной (если отбросить несущественные в данном случае характеристики ее положения в пространстве).

К размерным характеристикам наноматериалов можно отнести следующие характеристики:

- величину удельной поверхности (для нанопорошков), определяющую средний размер агрегатов;

- средний размер частиц или зерен, средний размер ОКР;

- распределение по размерам (гранулометрический состав) частиц, зерен, ОКР.

Величина удельной поверхности – одна из важнейших характеристик наноматериала, определяющая активность протекания физико-химических процессов, многие технологические свойства, взаимодействие с окружающей средой и т.д.

Удельной поверхностью называют площадь, которую имеет 1 грамм (или килограмм) того или иного вещества. Обозначают эту величину как Sуд, ее размерность м²/г, м²/кг.

Уменьшение диаметра частиц при прочих равных условиях увеличивает Sуд.

Сфероидизация уменьшает удельную поверхность, поскольку шар имеет минимальную поверхность при данной дисперсности материала.

Соответственно, изменение формы частиц при сохранении их размеров приводит к увеличению Sуд.

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами выделенная, например, с помощью базовой линии или части плоскости. Измеряется в микрометрах (мкм).

Шероховатость относится к микрогеометрии твёрдого тела и определяет его важнейшие эксплуатационные качества.

Прежде всего, износостойкость от истирания, прочность, плотность (герметичность) соединений, химическая стойкость, внешний вид.

В зависимости от условий работы поверхности назначается параметр шероховатости при проектировании деталей машин, также существует связь между предельным отклонением размера и шероховатостью.

Поверхностные явления проявляются в гетерогенных системах, т.е. системах, между компонентами которых имеется поверхность раздела.

Поверхностными явлениями называют процессы, происходящие на границе раздела фаз и их причиной служит особое энергетическое состояние частиц (атомов, молекул, ионов) поверхностного слоя.

Все поверхности раздела в зависимости от агрегатного состояния граничащих фаз делят на 2 типа:

1.Подвижные поверхности раздела: между жидкостью и газом (Ж-Г) и двумя несмешивающимися жидкостями (Ж-Ж).

2. Неподвижные поверхности раздела: между твердым телом и газом (Т-Г), твердым телом и жидкостью (Т-Ж).

Поверхностные явления разделяют на:

физические,

химические,

электроповерхностные.

В случае физических поверхностных явлений определяющую роль играет поверхностное натяжение – избыточная (по сравнению с внутренним объемом жидкости или твердого тела) свободная энергия поверхности, отнесенная к единице площади.

Эта избыточная энергия вызывает в дисперсных системах процессы, которые ведут к уменьшению поверхности.

Химические поверхностные явления -сопровождаются значительными изменениями состава и структуры тонких поверхностных слоев жидкостей и твердых тел.

Основными характеристиками электроповерхностных явлений служат:

электрический заряд и

электрический потенциал поверхности раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды

более важное– адсорбция.

Основным условием равновесия в гетерогенных системах является положительное значение энергии Гиббса образования межфазной поверхности.

Молекулы вещества, локализованные в межфазных слоях, обладают избыточной энергией по сравнению с молекулами вещества, распределенными в объеме гомогенной фазы дисперсных систем (так как появляются на поверхности в результате разрыва межмолекулярных связей).

Вследствие этого увеличение площади межфазной поверхности сопровождается увеличением поверхностной энергии (ΔG>0).

Обратный процесс- уменьшение площади межфазной поверхности – сопровождается понижением значения поверхностной энергии (ΔG<0), т.е. протекает самопроизвольно.

Таким образом, поверхностный слой формируется в результате самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии.

Самопроизвольное уменьшение поверхностной энергии может происходить за счет:

уменьшения площади межфазной поверхности в результате агрегации частиц дисперсной фазы (коагуляция твердых частиц или коалесценция капель жидкости).

Снижение поверхностного натяжения в результате адгезии, адсорбции, образования двойных электрических слоев и других явлений.

Возникновение поверхностных явлений является следствием стремления системы к самопроизвольному уменьшению поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

Наиболее характерные свойства дисперсных (в особенности высокодисперсных, наноразмерных) систем определяются явлениями, происходящими на поверхности раздела фаз - поверхностными явлениями.

Молекулы конденсированных фаз, находящиеся в поверхности раздела, обладают избыточной энергией по сравнению с молекулами в объеме из-за нескомпенсированности их межмолекулярных взаимодействий.

Это порождает возникновение на поверхности раздела поверхностных сил и избытка энергии – поверхностной энергии.

Особенность высокодисперсных и ультрадисперсных систем заключается в том, что их свойства зависят не только от химического состава образующего их вещества, но и от размера частиц дисперсной фазы.

Это означает, что поверхностная энергия определяет объемные свойства тел.

Зависимость свойств от размера частиц называют размерным или масштабным, эффектом.

Размерные эффекты, наблюдаемые в дисперсных системах, можно разделить на две большие группы.

1. Эффекты, связанные с кривизной поверхности жидкой или газовой дисперсной частицы

2. Эффекты, связанные с влиянием размера частиц на физические и химические свойства веществ.

Как известно из классической термодинамики, изменение внутренней энергии системы dU определяется количеством поступающей в нее теплоты δQ и совершенной ею работы δА:

dU = δQ – δА

Переданное системе количество теплоты определяется через термодинамическую функцию как TdS, где Т- температура, dS – изменение энтропии. Совершенная системой работа для наносред в общем случае определяется суммой работ, во-первых, против сил внешнего давления pdV, где р- давление, а dV – изменение объема. И во-вторых, против сил поверхностного натяжения при создании новой поверхности площадью S, равной

–σds, где σ – поверхностное натяжение, а знак минус указывает на увеличение энергии системы при увеличении площади поверхности.

Итоговое уравнение для расчета изменения внутренней энергии дисперсной системы будет выглядеть следующим образом:

dU = TdS – pdV + σds (1)

Определим соотношения для свободных энергий Гельмгольца и Гиббса для наносред. В термодинамике функция Гельмгольца определяется как: F = U – TS, а ее дифференциал, соответственно, равен: dF = dU – TdS – SdT. Подставляя dU из выражения (1) получим:

dF = – pdV + σds – SdT.

Таким образом, при постоянной температуре дифференциал функции Гельмгольца определяется следующим соотношением: dF = – pdV + σds

Функция Гиббса по первому закону термодинамики определяется как: G = H – TS, а энтальпия равна:

Н = U + pV.

Следовательно, дифференциал функции Гиббса будет равен:

dG = dU + pdV + VdP – TdS – SdT.

С учетом выражения (1): dG = - SdT + VdP + σds (2)

Следовательно, в условиях постоянства давления и температуры увеличение свободной энергии Гиббса в наносредах за счет роста площади свободной поверхности равно:

dG = σds (3)

Полученные соотношения показывают, что

наносреды по сравнению с материалами в массивном состоянии при прочих равных условиях обладают большей энергией на величину σds.

Другими словами, при постоянных температуре и давлении энергия наносред может уменьшится за счет сокращения площади поверхности.

Следовательно, дисперсные фазы, стремясь уменьшить свою энергию, должны самопроизвольно укрупняться.

отличие свойств наноматериалов от массивных объектов в значительной степени вызвано увеличением роли поверхности при уменьшении их линейных размеров.