Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Понятие обратимого процесса накладывает определенное ограничение на использование этого определения, так как не всякую границу раздела фаз можно получить приведёнными рассуждениями обратимо. Например, получение новой площади границы раздела т/г невозможно получить обратимо, т.к. реально нужно учитывать необратимую деформацию молекул. Поэтому часто используют определение поверхностного натяжения как удельной поверхностной энергии.
2. Поверхность раздела фаз обладает избытком нескомпенсированной энергии. Этот избыток в расчете на единицу поверхности составляет удельную свободную поверхностную энергию.
Для увеличения площади жидкой фазы нужно преодолеть внутреннее давление и совершить определенную механическую работу. Если увеличение площади производится при Р, Т = cоnst или V, T = cоnst, то оно сопровождается увеличением поверхностной энергии системы.
Термодинамическое определение поверхностного натяжения вытекает из объединенного уравнения I и II начал термодинамики.
Запишем его для гетерогенной системы относительно внутренней энергии U: dU = TdS – PdV +σdS +∑μidni +φ dq (2.8)
при S, V, ni, и q = cоnst dU = σ dS (2.9)
Отсюда получаем, , (2.10)
т.е. поверхностное натяжение – частная производная от внутренней энергии по площади поверхности раздела фаз при постоянных энтропии, объеме, числе моль вещества и заряде поверхности.
Так как объединенное уравнение может быть записано относительно и других термодинамических потенциалов, то при соответствующих постоянных параметрах получаем:
(2.11)
Поскольку чаще всего мы имеем дело с процессами, происходящими в изобарно-изотермических условиях, то можно встретить такое определение:
Поверхностное натяжение σ – это избыточная удельная поверхностная энергия Гиббса (*).
Для индивидуальных веществ это определение достаточно строгое. Для единицы поверхности можно записать:
σ= Gs (2.12)
«Избыточность» означает, что энергия поверхностных молекул жидкости больше энергии молекул в ее внутреннем объеме.
3) Поверхностное натяжение помимо энергетического (термодинамического) физического смысла имеет и силовой (механический). Это может прояснить простой опыт:
В l С
А D
dx A׳ D ׳
G
Fֿ
Рис.2.3. Рамка Дюпре(*)
На проволочной рамке помещается подвижная перекладина АD длиной l, легко скользящая по рамке. Опускаем рамку в водный раствор мыла. На рамке образуется двухсторонняя мыльная пленка, стягивающая часть рамки длиной l. Приложим к подвижной перекладине АD направленную вниз силу F (груз G). Под действием силы F перекладина АD переместится на бесконечно малое расстояние dx и займет положение А׳ D׳.
Сила F произведет при этом работу dW=Fdx. (2.13)
Если T=const, то эта работа затрачивается только на увеличение площади пленки: dS = 2l dx (2.14)
dW = σ dS. (2.15)
Определим условие силового механического равновесия перекладины АD при приложении силы F:
dW = F dx = σ dS = σ 2l dx. (2.16)
Такое равновесие обеспечивает сила, направленная в противоположную сторону и равная: σ = F/2l. (2.17)
Дата публикования: 2015-11-01; Прочитано: 408 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!