Що таке поверхневий натяг і в яких одиницях він вимірюється? Проаналізуйте, як залежить поверхневий натяг від природи речовини, що утворює поверхню міжмолекулярної взаємодії.
Фактором інтенсивності поверхневої енергії є поверхневий натяг, який обумовлений нескомпенсованим полем міжмолекулярних сил на поверхні. Термодинамічне визначення поверхневого натягу випливає з об'єднаного рівняння І та ІІ законів термодинаміки для гетерогенних систем:
При T, p, ni, q = const маємо:
|
(1.10) |
Поверхневий натяг – то є частинна похідна від енергії Гіббса за площею поверхні при T, p, ni та q сталих.
Подібні рівняння можна записати відносно й інших термодинамічних потеціалів U, F, H:
|
(1.11) |
;
;
;
Одиниця виміру поверхневого натягу: Дж/м2; Н·м/м2=Н/м.
Поверхневий натяг можна розглядати як роботу перенесення молекули з об'єму до поверхні, роботу з утворення одиниці поверхні. Поверхневий натяг – то є наслідок міжмолекулярних взаємодій та внутрішнього тиску в тілах, тобто сила, що втягує молекули з поверхні у середину рідини та є направленою перпендикулярно до поверхні. Поверхневий натяг – то є сила, що стягує поверхню. Для рідин можна і в інший спосіб визначити фізичний зміст поверхневого натягу – сила, яка направлена тангенціально до поверхні та припадає на одиницю довжини, периметра, що обмежує поверхню. Рідини, утворюючи поверхню, одночасно беруть учать у створенні на ній шару орієнтованих і стиснених молекул, які потім переходять у рівноважний стан, що, власне, і викликає тангенціальний натяг поверхні. Поверхня ж твердих тіл через малу рухливість молекул переходить до рівноважного стану вельми довго, що зумовлює поверхневий напряг. Тому для твердих тіл ліпше казати про питому поверхневу енергію. Якщо передбачити можливість досягнення рівноваги між поверхнею та об'ємом, тоді для твердих тіл справедливе поняття поверхневого натягу.
Тверді тіла мають сильніші міжмолекулярні та міжатомні взаємодії, ніж рідини, а тому й вищій σ. Поверхневий натяг неполярних рідин менше. Вищі значення σ мають речовини з водневими зв'язками.
Вимірювання енергії розриву міжмолекулярних зв'язків лежить в основі методів визначення поверхневого натягу, які розподіляють по трьох групах (визначення відбувається на легкорухомих межах: рідина-газ, рідина-рідина):
Статичні методи (метод капілярного підняття рідини, краплі, що лежить або висить; метод урівноваження пластини) засновані на визначенні натягу поверхонь, що утворилися до моменту виміру. Ці методи ґрунтуються на вивченні стійкої рівноваги.
Напівстатичні (метод відриву кільця, метод максимального тиску бульбашки) вимірювання вивчають нестійку рівновагу. Вимірювання проходять під час утворення поверхні.
Динамічні (метод капілярних хвиль). Вони застосовуються для вивчення суттєво нерівноважних станів.
Для індивідуальних рідин застосовувані будь-які з перелічених методів. Для розчинів – статичні та напівстатичні.
Визначення питомої поверхневої енергії твердих тіл становить собою важку задачу, а методи для цього менш точні, ніж для рідин. Для твердих тіл розроблені спеціальні методи визначення поверхневої енергії:
Прямі – метод розщеплення кристалів та метод нульової повзучості.
Непрямі – метод розчинності, за теплотою змочування та інші.