ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ НА ГРАНИЦЕ ДВУХ ФАЗ

Поверхность раздела двух фаз обладает свободной поверхностной энергией. Величина ее зависит от площади межфазовой поверхности и величины удельной поверхностной энергии, которая является константой, зависящей от свойств соприкасающихся фаз.

Поверхностная энергия возникает в том случае, когда силы, действующие на молекулы поверхностного слоя со стороны одной фазы неравны силам, действующим со стороны второй фазы. В этом случае для подъема молекулы из внутренней части фазы на поверхность надо совершать работу против молекулярных сил. Количественным эквивалентом затраченной работы на подъем всех молекул будет удельная поверхностная энергия . При подъеме в поверхностный слой затрачивается работа против равнодействующей силы молекулярного притяжения. Т.к. молекулярные силы имеют небольшой радиус действия, то поверхностной энергией обладают молекулы, находящиеся в очень тонком поверхностном слое. На перемещение молекулы в пространстве ниже этого слоя уже не требуются затраты работы против сил молекулярного притяжения, т.к. равнодействующая всех сил равна 0. Величина удельной поверхностной энергии зависит от величины различия полярности соприкасающихся фаз: чем больше это различие, тем больше удельная поверхностная энергия на границе фаз.

Мерой полярности фаз могут служить свойства: диэлектрическая постоянная, дипольный момент молекул, внутреннее давление.

Взаимная растворимость жидкостей связана с различием их полярности. Если разница в полярности большая, то взаимная растворимость мала, и наоборот. По этой причине между взаимной растворимостью жидкостей и величиной удельной поверхностной энергии должна существовать качественная зависимость: чем больше взаимная растворимость жидкостей, тем меньше удельная поверхностная энергия на границе раздела этих жидкостей.

Согласно второму закону термодинамики, свободная поверхностная энергия стремится уменьшиться. Это уменьшение может происходить за счет уменьшения площади поверхности раздела двух фаз и за счет уменьшения удельной поверхностной энергии. Всякая поверхность раздела двух фаз стремится к самопроизвольному сокращению. Это внешне проявляется так, как будто на поверхности раздела фаз существует упругая растянутая пленка, стремящаяся сократиться. Отсюда возник термин «поверхностное натяжение» и «сила поверхностного натяжения».

Внутри пузырька газа, находящегося в жидкости, давление газа должно быть больше, чем давление снаружи пузырька.

Величина избыточного давления внутри пузырька определяется формулой Лапласса:

, где

- избыточное давление внутри пузырька под данной точкой поверхности;

– поверхностное натяжение;

R₁, R₂ – главные радиусы кривизны поверхности данной точки.

R₁=R₂-R_ср., тогда

Поверхностная энергия может уменьшаться еще и за счет понижения удельной поверхностной энергии в результате адсорбции. В результате ориентированной адсорбции гетерополярных молекул поверхность раздела «вода-воздух» как бы заменяется двумя поверхностями раздела: «углеводородная жидкость - вода» и «воздух - углеводородная жидкость». Такая замена приводит к уменьшению поверхностной энергии.