Реферат: Термодинамика поверхностного слоя

Тема 2.1.2. Поверхностное натяжение. Методы измерения поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от температуры и концентрации. Уравнение Шишковского

На образование коллоидной системы затрачивается работа А=  × S , где  коэффициент пропорциональности; S - новая поверхность.

Поверхностное натяжение есть частная производная от любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности при постоянстве соответствующих параметров.

Если проводить процесс образования новой поверхности изотермически и обратимо, то вся работа перейдет в запас свободной энергии поверхности: A = F^s , F^s = s×S ; , [Дж/м² или Н/м].

Коэффициент s - поверхностное натяжение;  - это работа, совершаемая для образования единицы новой поверхности.

Поверхностное натяжение - это сила, действующая на единицу длины контура, ограниченного единицей поверхности и направленная в сторону сокращения поверхности, перпендикулярно к контуру вовнутрь его.

Наиболее часто используются 4 метода определения поверхностного натяжения.

1. Метод максимального давления в пузырьке газа (метод Ребиндера) (рис. 2.1.2.1, а).

Основан на продавливании пузырька газа (воздуха) под воздействием внешнего давления р через калиброванный капилляр радиусом r ₀ . С увеличением давления пузырек растет, а радиус кривизны его поверхности R превышает радиус капилляра (положение 1 рис. 2.1.2.1, а : R > r ₀ ). Дальнейшее увеличение объема пузырька будет происходить до тех пор, пока внутреннее давление достигнет своего максимального значения; радиус кривизны при этом будет минимальным, т.е. R = r ₀ (положение 2). В этот момент пузырек теряет устойчивость: при увеличении его объема он отрывается от капилляра. Если в момент отрыва пузырька измерить давление р , то поверхностное натяжение можно представить

; . (1)

Чтобы не измерять радиус капилляра, можно определить р для жидкости, поверхностное натяжение которой известно (эталон, часто, вода). Отсюда

. (2)

Исключив в уравнениях (1) и (2) радиус капилляра, получим выражение для определения поверхностного натяжения

или

где - поверхностное натяжение на границе «жидкость – газ»;

- поверхностное натяжение жидкости, принятой за стандарт (чаще – вода);

- перепад давления в пузырьке стандартной жидкости;

- перепад давления в пузырьке исследуемой жидкости.

2. Сталагмометрический метод (рис. 2.1.2.1, б).

Определяют вес капли, которая отрывается от капилляра под действием силы тяжести. Считают, что при отрыве вес капли Р _к уравновешивается силой, равной произведению поверхностного натяжения и длины окружности капилляра радиусом r ₀ :

, (3)

где k – поправочный коэффициент, учитывающий, что отрыв капель происходит по радиусу шейки капли, который меньше радиуса самой капли.

Определяют экспериментально вес капель и при помощи разработанных таблиц с учетом (3) находят s. Рекомендуется увеличивать время формирования капли до тех пор, пока число капель станет постоянным.

,

где r - плотность исследуемой жидкости;

n – число капель исследуемой жидкости;

s_ст , r_ст , n _ст – значения s, r и n для стандартной жидкости.

3. Метод отрыва кольца (рис. 2.1.2.1, в).

Измеряют силу F , которой противодействует поверхностное натяжение жидкости, смачивающей периметр поверхности кольца.