Поверхностное натяжение и поверхностная энергия. Процессы когезии и адгезии.

Дисперсные системы. Основные понятия и классификация.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Золин В.П. Технологическое оборудование предприятий общественного
питания: учебник для нач. проф. образования - М: Издательский центр «Академия», 2008.

Ботов М.И. Тепловое и механическое оборудование предприятий торговли и общественного питания: Учеб. для нач. проф. образования- М: Издательский центр «Академия», 2008.

Лутошкина Г.Г. Холодильное оборудование предприятий общественного питания: учеб. пособие - М.: Издательский центр «Академия», 2011.

Лутошкина Г.Г. Механическое оборудование предприятий общественного питания: учеб. пособие - М.: Издательский центр «Академия», 2011.

Лутошкина Г.Г. Тепловое оборудование предприятий общественного питания: учеб. пособие - М.: Издательский центр «Академия», 2011.

Дубцов Г.Г. Ассортимент и качество кулинарной и кондитерской продукции - М.: Издательство «Мастерство», 2007

Косолапова Н.В. Товароведение молочных, мясных, рыбных товаров и пищевых концентратов: учеб. пособие - М.: Издательский центр «Академия», 2010.

Косолапова Н.В. Товароведение зерномучных, плодоовощных, кондитерских и вкусовых товаров: учеб. пособие - М.: Издательский центр «Академия», 2010.

Матюхина З.П., Королькова Э.П. - Товароведение пищевых продуктов. -
М: ПрофОбрИздат, 2008.

Анфимова Н.А. – Кулинария: учеб. пособие для нач. проф. образования - М.: Издательский центр «Академия», 2007.

Усов В.В. - Организация производства и обслуживания на предприятиях общественного питания: Учеб. для нач. проф. образования. - М.:
ПрофОбрИздат, 2008.

Матюхина З.П. - Основы физиологии питания, гигиены и санитарии. -
М.: ПрофОбрИздат, 2007.

При рассмотрении фазовых равновесных или гетерогенных систем предполагается, что в равновесии находятся фазы с бесконечно большим объемом, т.е. свойства фазы в объеме не отличается от свойств фазы на поверхности, однако реальные системы имеют конечные размеры и чем меньше размеры частиц фазы частиц фазы, тем больше поверхность раздела между ними. В этом случае свойство дисперсных систем отличаются от свойств монолитных систем. Основная разница между поверхностью и объемом фазы энергетической ненасыщенности поверхностных атомов или молекул, чем больше поверхность раздела фаз, тем следовательно больший запас избыточной энергии системы и тем меньше ее термодинамическая устойчивость, отсюда следует, что с увеличением поверхности раздела фаз растет вклад поверхностной энергии в общую энергию системы и это необходимо учитывать при рассмотрении реальных систем. Для дисперсных систем характерны два признака:

1) Гетерогенность, она наступает как признак, указывающий на наличие межфазной поверхности обуславливающей протекание тех или иных поверхностных явлений.

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Условное обозначение	Класс системы	Название системы, примеры
Твердая	Твердая	Т/Т	Связнодисперсный	Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, бетоны, керамика.
Жидкая	Ж/Т	Свободнодисперсный	Капиллярные системы: жидкость в пористых телах: почвы, грунт.
Газообразная	Г/Т	- «» -	Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газовой среде.
Жидкая	Твердая	Т/Ж	- «» -	Суспензии: суспензии порошков, пасты.
Жидкая	Ж/Ж	- «» -	Эмульсии: нефть, молоко.
Газообразная	Г/Ж	- «» -	Пены: противопожарные и мыльные пены.
Газообразная	Твердая	Т/Г	- «» -	Аэрозоли: пыль, дым, порошки.
Жидкая	Ж/Г	- «» -	Аэрозоли: туман, облака.

2)Раздробленность частиц дисперсной фазы (дисперсность) является чисто количественным параметром, указывающим на размер частиц дисперсной системы и, следовательно, на величину межфазной поверхности. Она характеризует интенсивность протекания поверхностных явлений. Чем больше дисперсность системы тем выше ее межфазная поверхность и тем интенсивнее протекают поверхностные явления т.е. размер частиц(величина межфазной поверхности) для дисперсных систем являются такими же параметрами как давление, температура, концентрация и однозначно определяют свойства таких систем.

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на агрегатном состоянии дисперсионной среды

Как видно из данной таблицы три агрегатных состояния позволяют выделить восемь типов дисперсных систем. По подвижности частиц дисперсных систем подразделяют на:

-свободнодисперсные, системы в которых частицы дисперсной фазы могут быть перемещаться по всему объему дисперсионной среды

-связнодисперсные,- системы с твердодисперсионной средой в которой частицы дисперсной фазы не могут свободно перемещаться по объему дисперсной фазы.

В свою очередь оба класса классифицируются по размерам частиц дисперсной фазы:

1)связнодисперсные системы классифицируются по размеру пор- микропористые(до 2нм), переходнопористые(2…200нм), макропористые(св 200нм).

2) свободно дисперсные системы подразделяются по размеру частиц-ультрамикрогетерогенные,микрогетерогенные,грубодисперсные.

В гетерогенных системах межфазные поверхности могут существовать только при наличии конденсированных(тв. ли жидких фаз). Для количественной характеристики размеров частиц используют две величины:

-дисперсность, величина обратная наименьшему линейному размеру частицы

D=1/а [м^-1]

-удельная поверхность-отношение площади межфазной поверхности системы к объему которую она ограничивает S_уд=S_1,2/V

V-объем конденсированной фазы

Иногда ведичину удельной поверхности относят к массе дисперсной фазы.

S_уд=S_1,2/m.

Наличие межфазной поверхности предполагает скачок свойств при переходе от одной фазы к другой, что с термодинамической точки зрения соответствует разности энергий фаз. Это означает что межфазная поверхность обладает запасом избыточной энергии по сравнению с объемом фазы. Частицы поверхностного слоя конденсированных фаз обладают свободной энергией незатраченной на межмолекулярное взаимодействие, в отличие от молекул находящихся в объеме фазы, энергия которых полностью тратится на взаимодействие с соседними молекулами.

Соответственно с уменьшением частиц дисперсной фазы доля молекул находящихся на поверхности возрастает и соответственно увеличивается пов. энергия. Т.о. пов. энергия является функцией межфазной поверхности Gs=f(s).

Для установления вида данной зависимости и определения количественной характеристики вводится величина- поверхностное натяжение σ, оно характеризует количество избыточной энергии находящейся на единице поверхности дисперсионной системы. По физическому смыслу пов натяжение- работа,кот необходимо затратить для образования единицы поверхности раздела фаз [дж/м2]. данное определение устанавливает связь со строением веществ. Так с увеличением энергии взаимодействия частиц сост структура данного вещества будет возрастать и величина пов натяжения.

Из физического смысла пов натяжения следует,что оно представляет собой удельную энергию Гиббса поверхности. Тогда избыточная энергия межфазной поверхности дисп системы определяется Gs= σ*S12.

Т.о. в любых гетерогенных системах на поверхности раздела фаз сосредоточена избыточная энергия, количественной характеристикой кот является пов натяжение.

Процессы адгезии.

Наличие на межфазной поверхности дисперсных систем избыточной энергии указывает на принципиальную термодинамическую неустойчивость этих систем, стремящихся тем или иным способом уменьшить величину избыточной энергии. Это самопроизвольное стремление дисп систем уменьшить поверхностную энергию и составляет сущность всех поверхностных явлений. анализ уравнения Gs= σ*S12. показывает что уменьшение пов энергии можно осуществить двумя путями: 1)за счет самопроизвольного уменьшения поверхности раздела фаз.2)За счет уменьшения величины пов натяжения.В соответствии с этим все пов явления подразделяются на –процессы адгезии и процессы адсорбции.Адгезией(прилипанием) называют межфазное взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями тел(фаз)(сварка,спайка). Количественно адгезия характеризуется работой адгезии Wa, это работа обратимого разрыва адгезионной связи отнесенной к единице площади контакта фаз. Для установления взаимосвязи между работой адгезии и поверхностным натяжением предположим, что мы имеем две конденсированные фазы 2,3 и один газообразный(воздух) с поверхностным натяжением этих двух фаз с воздухом соотв равны σ21 и σ31. Поверхность контакта между фазами 2и 3 равна 1м3. при приведении данных фаз в контакт между ними возникает межфазное натяжение σ23 и изменение пов энергии в данной системе описывается уравнением:ΔGs=Gкон-Gнач= σ23-(σ21+ σ31). Т.к. изменение энергии Гиббса это работа совершаемая данной системой, то ΔGs=-WA, тогда WA= σ21+ σ31- σ23.данное соотношение называется уравнением Дюпрэ и отражает закон сохранения энергии при процессе адгезии. Из него следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение исходных фаз и меньше конечное межфазное натяжение.При описании свойств гетерогенных систем помимо адгезии используют понятие-Когезия. Она характеризует силы межмолекулярного взаимодействия внутри отдельной фазы. Силы когезии определяют возможность веществ и в конденсируемом состоянии. Характеризуется работой когезии WK. Это работа необходимая для обратимого разрыва тела по сечению в 1м2. Из данного опр следует что WK =2σ21.между какой либо конденсированной фазой и воздухом. Учитывая выражение уравнение Дюпрэ можно записать WK =(WK1+ WK2)/2- σ23.Прочность адгезионной связи зависит от природы и строения контактирующих фаз.

Смачивание. Смачивание-это поверхностное явление наблюдаемое при взаимодействии трех фаз(одна-газ,две других конденсиров). предположим что на повть ТВ тела 3 с σ31 нанесена капля жидкости 2 с σ21. Тв. тело стремясь уменьшить собственную пов энергию растягивает каплю по поверхности и численно эта энергия равна σ23. межфазное натяжение на границе Т/Ж стремится сжать каплю для уменьшения пов контакта и следовательно своей поверхностной энергии. Кроме этого сжать каплю для уменьшения пов энергии на гр Ж/Г стремится пов натяжение между каплей и воздухом. При равновесии между этими силами выполняется соотношение σ31= σ23+ σ21cosθ. Данное соотношении называется уравнением Юнга. Количественно способность жидкости смачивать тв.тела харся безразмерной величиной cosθ. θ краевой угол смачивания, чем он менььшетем лучше смачивание, Границей между смачиванием и несмачиванием какой либо повтиявляется угол=90.если он >90 то жидкость плохо смачивает поверхность данного тела.Если <90 то поверхнотсь смачивается хорошо.Поверхности кот хорошо смачиваются водой называются гидрофильными, а кот плохо смачиваются гидрофобными.Сопоставив σ31= σ23+ σ21cosθ и WA= σ21+ σ31- σ23,WA= σ21(1+ cosθ)- Урнение Дюпрэ Юнга,позволяет рассчитать работу адгезии на основании экспериментальных данных.

Предельным случаем смачивания является растекание жидкости,кот наблюдается когда межмолекулярное взаимодействие внутри жидкости количественно меньше работы адгезии. Количественно способность жидкости к растеканию по данной поверхности харся коэф растекания,кот f=WA-WK. Если f>0,то жидкость растекается по данной поверхности, если F<0 то жидкость не растекается.

Влияние ПАВ на смачивание и гидрофобизацию поверхности. К ПАВ относятся вещества в значительной степени изменяющие поверхностное натяжение, что обусловлено их строением.Основная масса ПАВ находится в поверхностном слое, и введение даже небольших количеств ПАВ приводит к резкому снижению пов натяжения. Пределом снижения поверхностного натяжения является образование пленки ПАВ на поверхности жидкости. За счет применения ПАВ можно изменить природу твердой поверхности. например если гидрофильную поверхность(стекло) обработать водным раствором жирной кислоты то ее молекулы ориентируются полярными группами к поверхности стекла или металла а углеводородные радикалы в воздух и поверхность становится гидрофобной. В результате чего капля воды образует с поверхностью тупой угол и не растекается по данной поверхности(поверхность становится гидрофобной и не смачивается жидкостью.

Дата добавления: 2015-08-31