Поверхнева енергія і її природа - раздел Химия, ПРЕДМЕТ І ЗАДАЧІ ФІЗИКО-ХІМІЧНОЇ МЕХАНІКИ Навколишній світ та дисперсні системи Поверхневі Шари На Межах Тіл Поводяться Абсолютно Інакше, Ніж В Об'ємі Кожног...
Поверхневі шари на межах тіл поводяться абсолютно інакше, ніж в об'ємі кожного граничного тіла.
Повітря
Рідина
Рис.2.1. Схема утворення поверхневих сил: у об'ємі молекулярні сили скомпенсовані, а на поверхні вільні
Через великі відстані між молекулами, наприклад, води і повітря взаємодія між ними практично не спостерігається. У об'ємі рідини густина води в 6×105 разів вище від густини насиченої пари. Відстань між молекулами речовини в рідкому (концентрованому, конденсованому) стані порівнювана з розмірами молекул, тому сили молекулярної взаємодії в рідині у багато разів більше, ніж в парі або в газі.
Будь-яка молекула, що знаходиться в об'ємі рідини, оточена з усіх боків такими ж молекулами: відстані між ними в середньому однакові. Тоді, сила f1, з якою молекула А притягується молекулою А1, урівноважиться силою, що направлена в протилежну сторону до молекули А2 (рис. 2.1). Аналогічно будуть урівноважені сили тяжіння, що діють в інших напрямах (унаслідок симетрії силового поля).
Абсолютно в іншому положенні знаходяться молекули поверхневого шару рідини. Сила тяжіння молекул пари f2, що направлена у бік газоподібного середовища, набагато разів менша від сили тяжіння f1, що діє в протилежну сторону.
Різницю сил молекулярного тяжіння визначають за формулою (2.1):
(f1 - f2) (2.1)
вона направлена від поверхні в об'єм рідини (рис. 2.1).
Відношення цієї різниці сил до одиниці поверхні називається внутрішнім тиском, який визначають за формулою (2.2):
(2.2)
Для рідин він дуже великий: 1100 МПа для води, 240 МПа для спирту, 140 МПа для ефіру. Цим пояснюється важкостискальність рідин.
Внутрішній тиск утягує молекули, що розташовані на поверхні рідини в об’єм і тим самим прагне зменшити поверхню до мінімальної при даних умовах.
Сила, що діє на одиницю довжини межі розділу і що обумовлює скорочення поверхні рідини, називається силою поверхневого натягуабо просто поверхневим натягом. Одиниці вимірювання цієї величини дин/см, Н/м. Ця сила завжди направлена тангенціально до поверхні рідин.
Для переміщення молекули рідини з об'єму в поверхневий шар необхідно витратити роботу в зворотному ізотермічному процесі, яка пов'язана з подоланням внутрішнього тиску.
Із закону збереження енергії відомо, що зовнішня робота, що витрачається, збільшує енергію системи, яка в даному випадку витрачається на збільшення енергії молекул, переміщуваних з об'єму рідини в поверхневий шар. Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надмірну енергію, в порівнянні з молекулами, що знаходяться в об'ємі. Ця енергія називається надмірною вільною енергією, звичайно її відносять до 1 см2 поверхні рідини і називають питомою поверхневою енергією. Тому молекули, що знаходяться на межі фаз, завжди мають надлишок енергії.
Так само до збільшення вільної енергії приводить робота розриву зв'язків при подрібненні твердих тіл, що супроводжується збільшенням поверхні розділу. Поверхня розриву (surface of discontinuity) – неоднорідний тонкий шар, що розділяє об'ємні фази і має кінцеву товщину і об'єм. Таким чином, терміни «поверхня розриву» і «поверхневий шар» тотожні.
Якщо провести наступний експеримент, а саме, збільшити поверхню тіла і зберегти його об’єм і хай молекули будуть упаковані в поверхневому шарі у вигляді кубиків однакового розміру з ребром в завдовжки 3-5 Å (1 Å = 10). Тоді площа зайнята, однією молекулою (в2), буде рівна 9-25 Å2, а молекул на 1 см2 шару () буде близько 1015. Робота утворення 1 см2 поверхневого шару, або поверхневий натяг, визначається так:
(2.3)
Ця величина визначає надлишок вільної енергії, зосередженої в кожному квадратному сантиметрі шару чи на межі двох будь-яких тіл. Її можна розглядати як енергію активації всіх n1 молекул 1 см2 шару. Вільна енергія однієї молекули становить (2.4):
(2.4)
Якщо поверхня тіла S, то вільна поверхнева енергія становить s S. Для дисперсних тіл з великою поверхнею ця енергія може бути дуже великою. Робота, що витрачена на утворення 1 см2 поверхні розділу фаз (процес ізотермічний) називається питомою вільною енергією поверхні. Питома вільна поверхнева енергія чисельно рівна поверхневому натягу і має однаковий з ним символ і розмірність. Питома поверхнева енергія виражається в ерг×см-2, а поверхневий натяг σ=F/b, дин×см-1 (слід знати, що надмірна вільна енергія дорівнює поверхневому натягу тільки у випадку однокомпонентної рідини).
Звідси 1 ерг×см-2 =дин×см-1. У системі СІ – Дж/м2 і Н/м; 1 дин/см=1 ерг/см2 =1·10-3Н/м= 1·10-3Дж/м2.
Нескомпенсованість молекулярних сил у поверхневому шарі рідин і твердих тіл визначає всі види їх молекулярної взаємодії: прилипання, зварювання, паяння, склеювання, тертя, тонке подрібнення матеріалів, розчинення і кристалізація, випаровування і конденсація пари, тверднення мінеральних в’яжучих речовин.
Ось декілька величин поверхневого натягу при 20°С: гептан С7Н16 – 20; вода – 73; ртуть – 480 ерг×см-2.
Під дією сил поверхневого натягу будь-яка рідина прагне набути сферичної форми (краплі роси, дощу, розплавленого металу). Значення поверхневого натягнення пропорційне внутрішньому тиску. Таким чином, чим сильніша міжмолекулярна взаємодія у тілі, тим вище поверхневий натяг. Значення поверхневого натягу при створенні поверхні для індивідуальної рідини установлюється практично миттєво, приблизно протягом 0,001 с (1·10-3 с).
Рис. 2.2. Зміна густини енергії в міжфазному поверхневому шарі
Краще говорити про приграничний поверхневий шар, оскільки найбільша нескомпенсованість молекулярних сил відповідає мінімальній товщині поверхневого шару – товщина однієї молекули.
В об'ємі кожної даної фази густина розподілу вільної енергії за об'ємом фази не залежить від місця пробного елементарного об'єму і при постійних температурі і тиску є постійною величиною:
(2.5)
(2.6)
Вільна енергія двофазної системи за принципом адитивності дорівнює
F = F1 + F2 = f1V1 + f2V2(2.7)
де: F1і F2– вільні енергії першої і другої фази; V1і V2– відповідні об'єми.
Тут не враховується надлишок вільної енергії в міжфазному шарі взаємодіючих фаз
F1,2 = σ1,2×S1,2 = F – (f1V1 + f2V2) > 0 (2.8)
де S 1,2 – площа поверхневого шару, см2 у об'ємі фаз (рис. 2.2) f1і f2постійні, і .
Проте поблизу поверхні розділу фаз в шарі завтовшки h1+h2 густина енергії зростає з наближенням поверхні розділу, внаслідок наявності енергії взаємодії фаз або молекулярних сил, що не компенсуються, в поверхневому шарі. Тому перехід від енергетичного рівня f1першого середовища до енергетичного рівня f2другої фази відбувається через енергетичний бар'єр, який відповідає згущуванню вільної енергії в поверхневому шарі (заштрихована область рис.2.2). Ця площа є кількісним виразом згущування вільної енергії в поверхневому шарі. Для шару площею в 1 см2 міжфазний поверхневий натяг дорівнює (2.9):
(2.9)
Оскільки елементарний об'єм dV для шару площею а = 1 см2 дорівнює а×dх, см3.
ПРЕДМЕТ І ЗАДАЧІ ФІЗИКО ХІМІЧНОЇ МЕХАНІКИ... Навколишній світ та дисперсні системи... Фізико хімічна механіка як наукова дисципліна її задачі...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Поверхнева енергія і її природа
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Навколишній світ та дисперсні системи
Навколишній світ існує багато в чому завдяки існуванню тіл, що створені сполученням, злипанням, зростанням найтонших часток (їх коагуляції) або, навпаки, здатності цих часток знаходитись у завислом
Особливості властивостей колоїдних систем
1.4.1. Всі колоїдні системи здатні розсіювати світло (опалесціювати). Якщо через колоїдну систему пропустити пучок проміння, що сходиться, поставивши між джерелом світла
Короткий історичний огляд
Перша робота, яка згодом послужила народженню фізико-хімічної механіки, відноситься до 1928 р. і пов'язана з адсорбційним пониженням міцності твердих тіл. П.О. Ребіндер встановив, що розколювання н
Змочування і набухання
Явище змочування спостерігається на межі розділу трьох фаз, одна з яких звичайно є твердим тілом (3), інша рідиною, наприклад водою (1) і третя газом (2) (рис. 2.3). При неповному змочуванні рідка
Спонтанні процеси на межі розділу фаз
З термодинаміки відомо – система знаходиться в стійкій рівновазі, якщо її вільна енергія мінімальна в даних умовах:
F = Fmin (2.21)
Якщо над
Теорія мономолекулярної адсорбції Ленгмюра
Розглянуто на прикладі газ – тверде тіло – Г/Т.
Передбачається: тверда поверхня однорідна, тобто активні центри поверхні мають залишкові валентності і здатні зв'язати кожний по одній молек
Полімолекулярна адсорбція
Поряд з ізотермою адсорбції, що наведено на рис. 3.3, часто на практиці зустрічаються ізотерми без прямолінійної ділянки, що паралельна осі абсцис і відповідає насиченню поверхні адсорбенту молекул
Рівняння Гіббса. Двомірний тиск
Величина адсорбції Г (моль∙см-2) визначається як надлишок маси даного (адсорбованого) компонента, що припадає на одиницю площі поверхневого шару:
Правило Дюкло-Траубе
Адсорбція та орієнтація молекул поверхнево-активних речовин на поверхні розділу фаз – це самовільні процеси, що приводять до мінімуму вільної енергії системи. Знаходячись
Правило зрівнювання полярності П.О. Ребіндера.
Відповідно до цього правила речовина С може бути сорбованою на поверхні розподілу фаз А і В, якщо вона в результаті своєї присутності в поверхневому шарі буде вирівнювати різницю полярності цих фаз
Склад і фізико-хімічна природа ПАР
Речовини, що при розчиненні навіть у дуже малих концентраціях здатні різко знижувати поверхневий натяг розчинника, називають поверхнево-активними речовинами (ПАР), а їх властивість знижувати поверх
А. Мила карбонових кислот
1. Карбоксильна група пов’язана безпосередньо з гідрофобним радикалом. Надалі розподілення залежить від характеру гідрофобного радикала (наприклад, мила жирних кислот, каніфольні мила і ін.).
Катіоноактивні ПАР
Катіоноактивні ПАР підрозділяються на наступні основні групи: аміни різного ступеня заміщення і четвертичні амонієві основи, азотвмісні основи (гуанідини, гідрадини, гетероциклічні сполуки і т. ін.
Класифікація ПАР за механізмом дії
За механізмом дії ПАР поділяються на чотири основні групи:
4.5.1. До першої групи відносяться речовини, поверхнево-активні на границі рідина – газ, і насамперед
Класифікація ПАР за механізмом дії
За механізмом дії ПАР поділяються на чотири основні групи:
4.5.1. До першої групи відносяться речовини, поверхнево-активні на границі рідина – газ, і насамперед
Використання ПАР в техніці
На даний час ПАР широко використовують у багатьох галузях господарства. Наприклад, у текстильній і паперовій промисловості, у виробництві косметики, фармацевтичних, бактерицидних, фунгіцидних і зас
Будова колоїдних міцел
Частки дисперсної фази ліозолів несуть на своїй поверхні заряд, що обумовлений наявністю на їх поверхні подвійного електричного шару, який представляє собою тонкий поверхневий шар із просторово роз
Стійкість і коагуляція дисперсних систем
Існує два поняття – агрегативна і кінетична нестійкість дисперсних систем. Агрегативна нестійкість виявляється в самовільному утворенні агрегатів з часток дисперсної фази системи з наступним їхнім
Молекулярно-адсорбційна стабілізація дисперсних систем
У неполярному дисперсійному середовищі частки дисперсної фази позбавлені електричного заряду. Електричний фактор стабілізації відсутній. Між дисперсними частками діють тільки сили взаємного притяга
Поняття про структурно-механічні властивості
Найважливіші властивості фізичних тіл, насамперед твердих тіл, їх механічні властивості: в'язкість, пружність, пластичність, міцність. Вони визначають здатність тіл чинити опір руйнуванню під дією
Загальні відомості про структуроутворення в дисперсних системах
Згідно з уявленнями П.О. Ребіндера, структури в колоїдних і мікрогетерогенних системах можна розділити на коагуляційні (тиксотропно-оборотні) і конденсаційно-кристалізаційні (необоротно руйнуються)
Деформації і течії
Реологія – наука про деформації і течії різноманітних реальних тіл.
Реологія – це наука про поведінку матеріалів (систем, тіл) з вра
Методи реологічного моделювання
Для характеристики тіл з комплексними властивостями використовують класичний для реології спосіб механічного моделювання. Структурними елементами реологічних моделей є пружина, поршень (або куля) т
Методи реологічного моделювання
Для характеристики тіл з комплексними властивостями використовують класичний для реології спосіб механічного моделювання. Структурними елементами реологічних моделей є пружина, поршень (або куля) т
Методика побудови реологічних кривих
В'язкість можна вимірити при постійному крутильному моменті (постійне навантаження), прикладеному до однієї з поверхонь, чи при постійній швидкості обертання однієї з поверхонь
Моделі і рівняння течії структурованих дисперсних систем
У світлі молекулярно-кінетичних уявлень процес течії структурованих рідин, на відміну від ньютонівських, складається з декількох елементарних актів. Якщо немає зовнішньої зрушувальної сили, тиксотр
Моделі і рівняння течії структурованих дисперсних систем
У світлі молекулярно-кінетичних уявлень процес течії структурованих рідин, на відміну від ньютонівських, складається з декількох елементарних актів. Якщо немає зовнішньої зрушувальної сили, тиксотр
Моделі і рівняння течії структурованих дисперсних систем
У світлі молекулярно-кінетичних уявлень процес течії структурованих рідин, на відміну від ньютонівських, складається з декількох елементарних актів. Якщо немає зовнішньої зрушувальної сили, тиксотр
Моделі і рівняння течії структурованих дисперсних систем
У світлі молекулярно-кінетичних уявлень процес течії структурованих рідин, на відміну від ньютонівських, складається з декількох елементарних актів. Якщо немає зовнішньої зрушувальної сили, тиксотр
Формування структури цементного каменю
За сучасними поглядами, у початковий період (перша стадія гідратації) при змішуванні цементу з водою в процесі гідролізу трикальцієвого силікату виділяється гідроксид
Фізичні основи ущільнення і формозміни бетонних сумішей
Свіжоприготовлена бетонна суміш має пухку нестабільну структуру з високою пористістю (П0 до 15%) і значним об'ємом залученого повітря (особливо при низькому водоутриманні суміші). Необхі
Основні параметри вібраційного ущільнення бетонної суміші
Ущільнення суміші як пружньов’язкопластичного тіла може відбутися, якщо енергетичні параметри зовнішніх впливів достатні для подолання граничного опору зсуву бетонної суміші. При відповідності пара
Вібродиспергування та виброперемішування суміші
Вібродиспергування. Робота, що необхідна для руйнування твердого тіла, не залежить від того, яка машина буде використана для подрібнення. Роботу руйнування можна підраховувати
Шляхи інтенсифікації ущільнення сумішей
9.4.1. Принциповий зміст процесу перемішування сумішей
Технологія виробництва асфальтових та дьогтевих бетонних сумішей і бетонів складається з двох осно
Шляхи інтенсифікації ущільнення сумішей
9.4.1. Принциповий зміст процесу перемішування сумішей
Технологія виробництва асфальтових та дьогтевих бетонних сумішей і бетонів складається з двох осно
Бітумополімерні в’яжучі і асфальтобетони на їх основі
Органічні в'яжучі речовини являють собою групу природних чи штучних термопластичних твердих, в’язкопластичних чи рідких речовин, що складаються із суміші органічних, від
Бітумополімерні в’яжучі і асфальтобетони на їх основі
Органічні в'яжучі речовини являють собою групу природних чи штучних термопластичних твердих, в’язкопластичних чи рідких речовин, що складаються із суміші органічних, від
Склад, структура і властивості нафтових дорожніх бітумів
Під терміном «бітум» розуміють суміш рідких, напівтвердих чи твердих сполук вуглецю і водню, що містять у невеликій кількості кисень-, сірку- й азотовмісні речовини і метали, а також значну кількіс
Галузь застосування.
10.3.1. Визначення. Склад. Класифікація.
– Дорожні бітумні емульсії являють собою дисперсні системи з двох не розчинних одна в одній рідин. Перша
Бітумні емульсії – мікрогеторогенні дисперсні системи
Дослідники розглядають емульсію як дисперсну мікрогетерогенну стабілізовану систему рідина – рідина. У емульсії виділяють дві фази: дисперговану (переривну) і диспергуючу (або непереривну). На пове
Технологія виробництва
Процес утворення емульсії складається з розподілення однієї рідини в іншій і утворення стійких крапель при наявності ПАР у системі, яка знижує поверхневий натяг середовища. Рідина з низьким поверхн
Приготування аніонної і катіонної емульсій.
Температуру бітуму і розчину емульгатору визначають таким чином, щоб сума цих двох температур не перевищувала 2000С. В противному випадку може відбутися закипання суміші бітуму і розчину
Фізико-механічні властивості та технологічні вимоги.
Згідно з вимогами ДСТУ БВ.2.7-2005 “Емульсії бітумні дорожні” вони повинні відповідати наступним вимогам (табл. 10.8).
Емульсії повинні бути стійкими при транспортуванні, тобто не повинно
Галузі застосування.
Таблиця 10.9
Клас емульсії
Вид роботи
ЕА - Ш
ЕАМ – Ш
Доглядання за свіжоукладеним цементобетоном і цементогрун
Водостійкість асфальтополімербетонів
Використання бітумів, що модифіковані полімерами (БМП) у промислово розвинених країнах набирає усе більш широкі масштаби. Близько 10 % всіх застосовуваних у дорожньому будівництві бітумів модифікую
Дьогтебетон
Дьогтебетон – це штучний будівельний матеріал, одержуваний ущільненням перемішаної до однорідного стану при оптимальній температурі суміші дьогтю, щебеню, піску і мінерального поро
Асфальтобетон
Відповідно до ДСТУ Б В. 2. 7 – “Суміші асфальтобетонні і асфальтобетон дорожній та аеродромний” асфальтобетонні суміші підрозділяються на щебеневі, гравійні і піщані.
За температурою уклад
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА ДО ВИВЧЕННЯ ТЕОРЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. – М.: Высш. шк., 1987.– 415 с.
2. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1969. – 319 с.
3. Братчун В.И., Золотарёв В.А. Мо
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
(2.2)
). Тоді площа зайнята, однією молекулою (в2), буде рівна 9-25 Å2, а молекул на 1 см2 шару (
) буде близько 1015. Робота утворення 1 см2 поверхневого шару, або поверхневий натяг, визначається так:
(2.3)
(2.4)
в ерг×см-2, а поверхневий натяг σ=F/b, дин×см-1 (слід знати, що надмірна вільна енергія дорівнює поверхневому натягу тільки у випадку однокомпонентної рідини).
і при постійних температурі і тиску є постійною величиною:
(2.5)
(2.6)
.
(2.9)
Новости и инфо для студентов