Работа по созданию новой поверхности

Поскольку энергия – это мера работоспособности, то, заменяя F_s на W, получаем:

[Дж/м²], (3)

где W – работа по созданию новой поверхности раздела фаз, Дж;

S – площадь поверхности раздела фаз, м².

Из выражения (3) следует, что s – это работа, которую надо совершить, чтобы в изотермических условиях увеличить на единицу площадь поверхности раздела фаз при неизменном объеме жидкости (т.е. перенести соответствующее число молекул жидкости из объема в поверхностный слой).

Например, при разбрызгивании жидкости совершается работа, которая переходит в свободную поверхностную энергию (при разбрызгивании поверхность раздела фаз многократно увеличивается). Такая же работа затрачивается при дроблении твердых тел.

Так как поверхностное натяжение связано с работой, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей при переводе молекул из объема в поверхностный слой, то, очевидно, что поверхностное натяжение является мерилом сил межмолекулярного взаимодействия внутри жидкости. Рассмотрим данные таблицы 1.

Как видно из таблицы, чем полярнее жидкость, тем сильнее взаимодействие между молекулами, тем сильнее поверхностные молекулы втягиваются внутрь, тем выше значение s.

Из жидкостей наибольшее значение s у воды. Это неслучайно, поскольку между молекулами воды образуются достаточно прочные водородные связи. В неполярных углеводородах между молекулами существуют только слабые дисперсионные взаимодействия, поэтому поверхностное натяжение у них небольшое. Еще больше значение s у жидкой ртути. Это свидетельствует о значительном межатомном взаимодействии (и о большой величине свободной поверхностной энергии).

Высоким значением s характеризуются твердые тела. Это связано с высоким значением энергии кристаллической решетки. Необходимо отметить, что все методы определения поверхностного натяжения твердых тел являются косвенными.

Таблица 1. Поверхностное натяжение (удельная поверхностная энергия)

некоторых веществ на границе с воздухом (298 К)

Поверхностная сила

Исходя из размерности коэффициента поверхностного натяжения Дж/м², можно записать

Из этого выражения следует, что поверхностное натяжение – это сила.

Существование этой силы наглядно иллюстрируется опытом Дюпре. На жесткой проволочной рамке закреплена подвижная перемычка (рисунок 2). В рамке натянута мыльная пленка (положение 1). Чтобы растянуть эту пленку до положения 2, надо приложить силу F, которой противодействует сила поверхностного натяжения F₂. Если отпустить перемычку, то она вернется в прежнее положение 1. Это произойдет под действием силы поверхностного натяжения. Эта сила направлена вдоль поверхности (по касательной), перпендикулярно к контуру, ограничивающему поверхность. Для пленки на рисунке 2 роль части контура играет подвижная перемычка.

Следовательно,

[Н/м], (4)

где F – сила, стягивающая контур поверхности, Н;

l – длина контура, м.

Рис. 2. Опыт Дюпре

Таким образом, s – это поверхностная сила, приложенная к единице длины контура, ограничивающего поверхность и направленная на сокращение поверхности разделафаз.

Поверхностное натяжение возникает на всех поверхностях раздела фаз в соответствии с агрегатным состоянием этих фаз введены следующие обозначения:

s_Ж-Г (на границе жидкость – газ)

s_Ж1-Ж2(на границе двух несмешивающихся жидкостей)

s_Т-Г(на границе твердое тело – газ)

s_Т-Ж (на границе твердое тело – жидкость)

Непосредственно экспериментально можно определить поверхностное натяжение на границе жидкость – газ и жидкость – жидкость. Разработано много методов определения поверхностного натяжения жидкостей: метод капиллярного поднятия, метод отрывающейся капли, метод максимального давления пузырьков.

Методы определения поверхностного натяжения на границе с твердым телом основаны на косвенных измерениях.

АДГЕЗИЯ И КОГЕЗИЯ

Когезия характеризует взаимное притяжение частиц (атомов, молекул) однородного тела, обусловленное силами межмолекулярного взаимодейст-вия, действующими внутри тела. Когезия характеризует прочность тел на разрыв. Она сильна в твердых телах, меньше в жидкостях.

Адгезия характеризует взаимное притяжение частиц различных тел в области их соприкосновения (т.е. на поверхности раздела фаз), обусловлен-ное силами межмолекулярного взаимодействия, действующими между этими телами.

Количественно когезия и адгезия характеризуются соответственно работой когезии W_к и работой адгезии W_a. Эти величины измеряются в тех же единицах, что и поверхностное натяжение (Дж/м², Н/м), и они связаны с поверхностным натяжением.

Работа когезии W_к – работа, которую надо совершить для разрыва однородного тела по сечению с единичной площадью на две части. Эта работа затрачивается на разрыв межмолекулярных связей внутри тела. Представим мысленно цилиндр из какой-либо жидкости с единичной площадью сечения S (рисунок 3). Разорвем этот цилиндр на 2 части.

Образовалась новая поверхность площадью 2S на границе жидкость – газ. Если вспомнить физический смысл поверхностного натяжения (это работа, которую надо совершить, чтобы увеличить на единицу площадь поверхности раздела фаз), то можно записать:

W_к = 2s_Ж-Г, (5)

где W_к – работа когезии, Дж/м²;

s_Ж-Г – поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – газ, Дж/м².

Рис. 3. К выводу соотношения между когезией и поверхностным натяжением

При разрыве твердого тела на две части работа когезии соответственно равна

W_к = 2s_Т-Г, (6)

где s_Т-Г – поверхностное натяжение на границе раздела

твердое тело – газ, Дж/м².

Сразу можно отметить, что работа когезии тем больше, чем больше величина поверхностного натяжения.

Работа адгезии W_a – работа, которую надо совершить для разрыва двух соприкасающихся тел с единичной площадью контакта. Эта работа затрачивается на разрыв межмолекулярных связей, возникающих на границе раздела фаз.

Пусть в соприкосновении находятся две несмешивающиеся жидкости с единичной площадью контакта. Граница раздела фаз характеризуется поверхностным натяжением s_{Ж - Т}.

Рис. 4. К выводу соотношения между адгезией и поверхностным натяжением

После разрыва исчезла граница раздела фаз ж-т, но появились две новые площади поверхности, которые характеризуются поверхностным натяжением s_{Ж - Г} и s_{Т - Г}.

Очевидно, что работу адгезии можно рассчитать по формуле

W_a = s_{Ж - Г} + s_{Т - Г} – s_{Т - Ж} (7)

Это выражение называется уравнением Дюпре.

По уравнению (7) рассчитать W_апрактически невозможно, т.к. определение поверхностного натяжения на границе с твердым телом представляет собой сложную экспериментальную задачу.

Силы когезии и адгезии играют большую роль в процессах смачивания и несмачивания жидкостями твердых тел, склеивания материалов, нанесения лакокрасочных и других покрытий, печатания, крашения.

Поиск по сайту: