Беттік керілу

Сұ йық тық тардағ ы беттік керілуді қ арастырайық. Егер сұ йық тық тың молекуласы сол сұ йық тық тың кө лем ішінде болса, онда оғ ан жан-жағ ындағ ы молекулардың бірдей ә рекеттесуінің ә серінен шешуші кү ш 0-ге тең болады. /1.1а-сурет/.

1.1. - сурет. Молекулалық кү штер

Ал егер қ арастырып отырғ ан молекуламыз бө ліну бетінен ө зінің ә сер ететін радиусының мө лшерінен аз қ ашық тық та болса, онда молекулағ а жан-жақ тан ә сер ететін кү ш ә ртү рлі болғ андық тан, олар толық /компенсацияланбайды/ тең елмейді де, стрелкамен кө рсеткендей шешуші кү ш пайда болады. /1.1ә сурет/. Ол кү ш молекуланы беттен сол кө лем ішіне қ арай тартуғ а тырысады. Бұ л кү штің ең жоғ ары мә ні молекула бетте болғ анда ғ ана болады. /1.1б сурет/. Қ арастырылып отырғ ан кү шті ішкі, иә молекулалық кү ш деп атайды. Кейде, молекулалық қ ысым деп те атайды. Молекулалық қ ысымның мә ні заттың полярлығ ы ө скен сайын жоғ ары болады. Ө йткені бұ л қ ысымның негізгі себебі молекулалардың арасында болатын кү штің ә серінен болады. Мысалы: Судың ішкі қ ысымы – 14800 атм, ал бензолдікі – 3800 атм. Сонымен сұ йық тық тардың ішкі қ ысымы бетте тұ рғ ан молекуланы кө лем ішіне қ арай тартып, қ арастырылып отырғ ан жаң ағ ы сұ йық тық тың беттік ауданан азайтуғ а тырысады. Бө лу бетінің 1 ө лшем ұ зындығ ына ә сер етіп, сұ йық тық тың беттік ауданын азайтатын кү шті – беттік керілу кү ші, немесе жай беттік керілу деп атайды. Оның ө лшем бірлігі дин /см, ал Ө Ж (СИ) жү йесінде н/м болады. Бұ л кү ш ә рқ ашанда бетке перпендикуляр бағ ыттылғ ан.

Егер, молекуланы кө лем ішінен бетке шығ аратын болсақ, онда бетті кө бейту ү шін ішкі қ ысымды жең етіндей жұ мыс істеу керек. Ыдыс ішінде белгілі бір S беттік ауданы бар сұ йық тық ты қ арастырайық. /1.2а сурет/.

1.2. - сурет. Беттік керілу

Ыдысты қ исайту арқ ылы сол сұ йық тық тың бетін арттыруғ а болады. Ә рине ол ү шін кө лемнен молекулалардың белгілі бір санын бетке шығ ару керек. Ендеше шық қ ан молекулалардың саны сол жаң адан пайда болғ ан бетке пропорционал. Сонымен, біз ыдысты қ исайта отырып, ыдыстың ауырлық орталығ ын ө згертетін механикалық жұ мыстан басқ а, бетті арттыратын жұ мыс та істедік. Қ айтымды жә не изотермиялық ү деріс ү шін, бірлік бетті қ ұ ратын жұ мыс сол беттің меншікті еркін энергиясына тең. Меншікті еркін энергияның ө лшем бірлігі - эрг/см², Ө Ж (СИ) бойынша дин/м². Эрг/см²=дин/см тең екенін еске алсақ, меншікті еркін энергия деп отырғ анымыз беттік керілу екенін тү сіну қ иын емес. Беттік керілуді σ символымен белгіленеді.

Ендеше:

Сонымен, беттік энергияның қ арқ ындылық факторы беттік керілу екен (F=S*σ). Ол фазааралық молекулааралық кү штердің тең герілмеген (компенсацияланбағ ан) ө рісінің нә тижесінде болатынын білдік. Енді беттік керілудің термодинамикалық анық тамасына тоқ талайық.

σ -дің термодинамикалық анық тамасы термодинамиканың І жә не ІІ заң дарының біріктірілген тең деуінен де шығ ады. Гетерогендік жү йелер ү шін:

Мұ ндағ ы: S_э-энтропия, V-кө лем, p-қ ысым, µ_i-і компонентінің (қ ұ рамдасының) химиялық потенциалы; n_i-і қ ұ рамдасының моль саны; φ -потенциал; q-заряд.

Егер бұ л тең деуден S, V, n, q – тұ рақ ты болса, онда олардың дифференциалы 0-ге тең, ендеше,

Термодинамиканың І жә не ІІ заң дарының біріктірілген тең деуін басқ а да термодинамикалық потенциалдарғ а да (H, F жә не G) жазуғ а болады, ендеше олардан:

Сонымен, σ кез келген термодинамикалық потенциалдардың фазааралық беттік ауданы бойынша дербес дифференциалы екен.

Ә детте, Р мен Т –ны эксперимент арқ ылы оң ай тұ рақ ты етуге болатындық тан:

жиі қ олданылады, бұ дан σ мен µ_і ұ қ састығ ын кө реміз. Олардың біріншісі-термодинамикалық потенциалдың беттік ауданы, ал екіншісі- заттың мольі бойынша дербес дифференциалы екен.

Сонымен, беттік керілуді жұ мыс (энергия) ретінде де жә не кү ш ретінде де қ арастыруғ а болады екен. Бірінші жағ дайда оның ө лшем бірлігі Ө Ж (СИ) жү йесі бойынша Дж/м², ал СГС жү йесі бойынша –эрг/см². Ал кү ш ретінде қ арастырғ анда оның ө лшем бірлігі Ө Ж (СИ) жү йесі бойынша н/м, ал СГС жү йесі бойынша дин/см жә не осы ө лшем бірліктердің арасындағ ы қ атынастар былай болады:

1Дж/м² =1000 эрг/см²=1н/м=1000 дин/см.

Тө менде кейбір заттардың бө лмелік температурадағ ы беттік керілуінің мә ні 10^-3 Дж/м² ө лшем бірлігі бойынша берілген:

Табиғ атта барлық ү дерістердің, егер сыртқ ы кү ш ә сер етпесе, ө збетінше жү йенің энергиясын азайтатынын білеміз. Мысалы: қ исық жазық тық тағ ы шарды алып қ арасақ, ол тө мен қ ұ лайды. Ө йткені, онда оның энергиясы ө те аз. Біз жоғ арыда айтылғ ан мысалда беттің ө суі, яғ ни энергияның артуы ө збетінше болмайтындығ ын айтып кеткен жө н. Ө йткені сұ йық тық тың беті, сол беттің ө суіне кедергі болатын қ абыршық тә різді болады. Сондық тан сұ йық тық ә рқ ашанда беті ө те аз шама болатындай пішін алуғ а тырысады. Мысалы: Су тамшысы шар тә різді болады. Ө йткені шар-заттың ең кіші бет тү зетін пішіні. Сонымен, термодинамиканың заң ы бойынша кез келген жү йедегі ө здігінен жү ретін ү дерістер сол ө зінің энергиясының азаю жағ ына қ арай жү ретінін кө рдік. Жоғ ары формуладан (Δ F= σ ∙ Δ S) еркін энергия беттік керілу мен беттік ауданының кө бейтіндісіне тең. Ендеше жү йедегі ө здігінен жү ретін ү дерістер, иә беттік керілуді, иә беттік ауданды /екі жағ ынан қ абат болуы да мү мкін/ азайтуғ а тырысады.

Сұ йық тық тардың беттік керілуі температурасы ө скен сайын азаяды. Бұ л температуралық коэффициент ылғ ида жуық тап алғ анда тұ рақ ты жә не теріс шама болғ андық тан, σ -ның азаюы тү зү сызық ты заң дылық та болады: σ _T=σ ₀+γ T. Ә рине, температура дағ дарыстық температурағ а жеткенде σ =0-ге тең болады. Ө йткені бұ л температурады бө лу беті болмайды. Мысалы, сұ йық тық -бу жү йесі ү шін, сұ йық тық тың қ айнау температурасы, ал сұ йық тық -сұ йық тық жү йесі ү шін, сол сұ йық тық тардың ө зара еритін қ асиеті байқ алатын температурасы. Д.И. Менделеев бұ л температураны дағ дарыстық (кризистік) температура деп атағ ан.

1.3. - сурет. Беттік керілудің
температурағ а тә уелділігі.

Жеке сұ йық тық тар ү шін бө лу беті тү зілген кезде олардың беттік керілудің мә ні ө те жылдам, шамамен алғ анда 0, 001 секундта, қ алыптасады.