Свободная энергия и поверхностное натяжение жидкостей

Клеевые материалы рассматриваются как жидкости, для которых ха­рактерен определенный тип межмолекулярного взаимодействия.

Рис.. Схема действия межмолекулярных сил внутри жидкости и на ее поверхности.

 

Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягивается с одинаковыми силами соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил. В результате, силы притяжения компенсируются и равнодействующая сил для молекулы 1 равна 0.

Как только она пере­мещается в поверхностный слой, то характер движения молекулы изменяется. У молекул поверхностного слоя (молекула 2) одна часть сферы действия межмолекулярных сил находится в жидкости, другая – в газовой фазе. Так как плотность газа меньше плотности жидкости, то силы притяжения молекул газа очень малы и равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности.

Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь (рис. выше) и, тем самым, сократить поверхность жидкости.

Этим объясняется шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность).

          

Свободная поверхностная энергия  (энергия Гиббса G)– избыток энергии молекул поверхностного слоя по сравнению с молекулами, находящимися внутри:

Е_s = Е – Еср

Е – энергия поверхностного слоя

Еср – средняя энергия молекул, находящихся внутри

Поверхностная энергия Е _s   или G зависит от природы соприкасающихся фаз, температуры и площади раздела фаз

 

Другой единицей, определяющей значение избытка энергии в по­верхностном слое, является поверхностное напряжение.

При увеличении поверхности, например, при растяжении жидкой пленки, некоторое число молекул из внутренних областей жидкости переходит на поверхность. Этот переход молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы.

 

Поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности, называется поверхностным натяжением (ПН):

 

где – поверхностное натяжение (ПН);

- поверхностная энергия;

- площадь поверхности.

– поверхностное натяжение – энергия (работа), которую надо затратить, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу

Чем больше поверхность жидкости, тем большую работу (энергию) надо совершить (затратить)

В единицах СИ поверхностное натяжение измеряется в Дж/м2 или Н/м, так как Дж=Н.м.

Так как ПН определяется работой создания единицы площади поверхности, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей, то чем прочнее межмолекулярные связи, тем больше ПН жидкости

С повышением температуры ПН снижается, т.к. ослабляются межмолекулярные связи

В твердых телах подвижность молекул на поверхности отсутствует, поэтому поверхностная энергия здесь не может наблюдаться в виде поверхностного натяжения.

Межфазная энергия – поверхностная энергия, обусловленная нескомпенсированностью полей частиц на границе раздела фаз: жидкость – жидкость.

 

Смачивание.

Капля жидкости на поверхности твердого тела может вести себя различно:

Рис. Контактные углы, образованные жидкостями на поверхности твердого тела:

S - твердое тело;

L - капля жидкости;

- краевой угол смачивания

Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для не смачивающих — тупой.

Если жидкость смачивает твердое тело, то она стремится растечься по поверхности.

Контактный угол при этом равен 0 (рис. а), т.е. при полном смачивании q=0, а cosq=1.

Краевой угол q является мерой смачивания. Он определяется как угол между твердой поверхностью и касательной в точке соприкосновения трех фаз. Угол q отсчитывается в сторону жидкой фазы.

В случае жидкости L2 (рис. б) тенденция к растеканию по поверхности менее выражена и угол 0<q<900.

В третьем примере жидкость не смачивает поверхность (рис. в) и контактный угол превышает 90⁰. Жидкость стремится уменьшить площадь контакта с твердым телом.

 

 

В состоянии равновесия:

(1)

Величина носит название адгезионного натяжения.