Понятие о поверхностной энергии

Способность некоторых соединений растворяться в этих двух фазах используется для очистки металла от таких соединений. Так, при сварке сталей в жидком металле достаточно энергично может образовываться закись железа, ухудшающая свойства стали. Закись железа хорошо растворима не только в жидком металле, но и в жидком шлаке, и распределение ее между этими двумя различными по свойствам жидкостями подчиняется закону распределения.

Условившись в дальнейшем заключать концентрации веществ, находящихся в шлаке, в круглые скобки, а веществ, находящихся в жидком металле,— в квадратные, запишем

Уменьшение концентрации свободной закиси железа в шлаке может вызвать снижение содержания ее и в жидком металле: из металла она будет переходить в шлак, так как для данной температуры значение константы распределения постоянно. На этом и основано диффузионное раскисление металла.

Таким же образом можно снизить и концентрацию серы в металле. На действии закона распределения основано также получение методом электрошлакового переплава весьма рафинированных металлов и сплавов.

Различные химические процессы, протекающие в гетерогенных системах, обычно начинают развиваться с поверхностей раздела фаз, перемещаясь затем далее, вглубь системы.

Условия существования молекул поверхностного слоя отличаются от тех, в которых находятся молекулы внутренних слоев. Поэтому свойства поверхности отличаются от свойств внутренних слоев вещества.

Особенности свойств поверхностных слоев вещества проявляются на любой поверхности раздела фаз, но

особенно сильно — в системе «жидкость — газ»,

слабее — на границе двух несмешивающихся жидкостей, а также в системе «твердое тело – жидкость»,

еще слабее — на границе раздела твердых тел.

Проявление этих свойств есть результат наличия на поверхности раздела фаз определенной энергии — поверхностной энергии, или энергии поверхностного натяжения.

Величина поверхностного натяжения зависит не только от жидкости, но и от среды, которая находится рядом с ней, так как эта среда может влиять на поверхностные молекулы жидкости. Меняя пограничную среду, можно весьма сильно влиять на величину поверхностного натяжения жидкости. Вещества, способствующие уменьшению величины поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными, а вещества, слабо влияющие на поверхностное натяжение,— поверхностно-неактивными. Например, группа щелочных и щелочноземельных металлов и большинство солей, ими образуемых, относятся к поверхностно-активным веществам. Этим пользуются при пайке и сварке, стремясь добиться лучшей смачиваемости поверхности твердого металла жидким металлом и более легкого растворения капель электродного металла в сварочной ванне.

Величина поверхностного натяжения влияет на численные значения упругости паров и растворимость данного вещества. Если жидкость имеет форму капли, то с уменьшением размера капель упругость паров над ними увеличивается. Это объясняется влиянием степени кривизны испаряющей поверхности. Отсюда следует, что малые капли всегда имеют большее давление пара, чем большие, и поэтому легче испаряются. Освежители воздуха в аэрозольной упаковке.

Что касается влияния поверхностного натяжения на растворимость, то известно, что капли малого размера растворяются лучше, чем крупные.

То же происходит и с зернами в твердом металле: при высоких температурах крупные зерна растут за счет мелких как менее устойчивых (при нагреве крупные зерна растут за счет мелких).

Существенное влияние на величину поверхностного натяжения оказывает изменение температуры. Повышение температуры приводит к снижению поверхностного натяжения, так как вследствие расширения вещества ослабляются силы притяжения между молекулами как внутри вещества, так и в его поверхностном слое.

При некоторой температуре поверхностное натяжение жидкости становится равным нулю и исчезает раздел между жидкой и газовой фазой. Эта температура названа температурой абсолютного кипения, или критической температурой, выше которой вещество не может находиться в жидком состоянии.

Дата добавления: 2015-06-26