Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Нанотермодинамика

..pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
7.6 Mб
Скачать

м"’ = 2 nrhaLcos0.

(6.10)

Величина uwотносится к одному капилляру и поэтому её можно назвать капиллярной энергией смачивания.

6.4.Зависимость высоты подъёма и опускания жидкости в капилляре от его радиуса

При смачивании жидкостью стенок капилляра она поднимается на опре­ делённую высоту h. Образовавшийся столб жидкости объёмом v = nr1h создаёт гидростатическое давление р = gh(р - pg). Равновесие наступает тогда, когда работа поднятия жидкости в капилляре

w = vp = nr2h2q (p - p g)

(6.11)

равна капиллярной энергии смачивания и"1.Приравнивая (6.10) и (6.11), по­ лучим искомое уравнение:

2а, cos0

( 6. 12)

hr =

g ( p - p gy

 

В уравнениях (6.10) и (6.11) g = 9.80665 м-сек"2 -

ускорение свободного

падения, р и pg - плотности жидкости и газа.

Из уравнения (6.12) следует, что для выбранной системы жидкость/твёрдое вещество величина h зависит только от радиуса капилляра и обратно пропорциональна ему. Величину h можно рассчитать по уравнению (6.12), если известны величины aL, 0, р, pg и г. Она будет положительной, если 0 < 90° (cos 0 > 0) и отрицательной, если 0 > 90° (cos 0 < 0).

В уравнении (6.12) не учтён вес менисковой части столба жидкости. Для его учёта нужно знать форму мениска. Если принять в первом прибли­ жении, что мениск представляет собой вогнутую или выпуклую полусферу с радиусом г, то рассчитанная ошибка не превышает нескольких десятых долей процента от величины h и поэтому в дальнейшем мы будем пользо­ ваться уравнением (6.12). Перепишем уравнение (6.12) следующим обра­ зом:

2а, cos0

g (p ~ P x)

В этом уравнении величина

а

2

2G L

 

(6.14)

g(P-Pg)

зависит только от свойств жидкости и поэтому назовём коэффициент а ка­ пиллярной постоянной жидкости, которую можно рассчитать по уравнению (6.14). Тогда уравнение (6.13) принимает вид

Ar = a 2cos0.

(6.15)

Как видно, произведение hr для данной жидкости зависит только от угла смачивания. С учётом (6.15) из (6.10) получим уравнение для определения капиллярной энергии смачивания:

иw= 1т 2о L(cos&)2

(6.16)

Таким образом, капиллярную энергию смачивания uwможно определить, если известны капиллярная постоянная а жидкости, её удельная поверхно­ стная энергия oLи угол смачивания 0 .

6.5. Капиллярная свободная энергия смачивания

Как известно (см.параграфы 3.3 и 3.5), поверхностная энергия {7sи по­ верхностная свободная энергия (Нравны по абсолютной величине, но про­ тивоположны по знаку:

Us = -G s

(6 .17)

Поэтому для капилляра справедливо равенство

 

uw= - g '\

(6 .18)

где gw - капиллярная свободная энергия смачивания. С учётом равенства (6.18) величину gwможно рассчитать с помощью уравнения (6.16).

6.6. Капиллярная энтропия смачивания

Капиллярная энтропия смачивания swявляется температурным коэффи­ циентом капиллярной свободной энергией смачивания:

а

b

sw= -

(6.19)

 

&

Величина gw рассчитывается по уравнению

g w = - CT’V

(6 .2 0 )

В данном уравнении величина a w зависит от температуры, так как удельная поверхностная энергия жидкости GL и cosG в уравнении (6.5) зависят от температуры. Тем­ пературная зависимость площади смачивания aw определяется тем­ пературной зависимостью произве­ дения гh:

w

 

rh = =~.

(6.21)

2 п

 

Величину rh можно определить по уравнению (6.13).

Рис.6.4. Силы, действующие на трёх­ фазной границе жидкость (I) - твёр­ дое вещество (S) - газ (G) при подня­ тии (а) и опускании (Ь) жидкости в ка­ пилляре: сГу и oL- удельные поверхно­ стные энергии твёрдого вещества и жидкости на границе с газом, aSL- удельная межфазная энергия, 0 - угол смачивания.

6.7. Молярная площадь смачивания

Объём жидкости V в одном капилляре и капиллярную площадь смачива­ ния awпри h > 0 можно выразить так:

V = кr2h,

(6.22)

aw= 2nrh.

(6.23)

Отсюда, число капилляров z, в которых находится один моль жидкости объё­ мом V равно

V

%r2h

о

зо

60

9 0

Рис.6.5. Зависимость энергии и свободной энергии G"1смачивания для воды при 20 °С от угла смачивания 0 при радиусе капилляра г = 0.5нм.

Так как Л" = zaw, то для молярной площади смачивания Awполучим уравне­ ние

2V

(6.25)

г

из которого следует, что величина Awобратно пропорциональна радиусу капилляра г.

6.8. Энергия и свободная энергия смачивания

Так как удельная энергия смачивания aw= cr^cosB, то энергия смачива­ ния С/1*1равна

г

С учётом, что U" = -G w, для свободной энергии смачивания G" получим уравнение

G" =

2VO L cos0

(6.27)

г

 

 

Зависимость U* и Gwот 0 для воды при радиусе капилляра г = 0.5 нм и 0 = 0 ■¥90° приведена на рис.6.5.

6.9. Энтропия смачивания

Молярная энтропия смачивания равна

Sw= s"z

(6-28)

или с учётом уравнения (6.24) находим:

 

Г

(6.29)

Для определения капиллярной энтропии смачивания sw, как уже говорилось, нужно знать зависимость капиллярной свободной энергии смачивания gw от температуры.

6.10. Физическая адсорбция и капиллярная конденсация

6.10.1. Опытные данные

Если в эвакуированном сосуде (см.рис.6.6) находится проба 1 твёрдого вещества и в данном сосуде создаётся определённое давление Ps пара G жидкости L, которое меньше давления Р’ насыщенного пара данной жид­ кости при выбранной температуре (Р < /£), то при условии, что жидкость смачивает поверхность твёрдого вещества, наблюдаются следующие яв­ ления:

Рис.6.6. Схема установки для определения изотермы адсорбции: L - жид­ кость, G -пар, 1 - проба, 2 - сосуд с жидкостью и насыщенным паром, 3 - датчик массы, 4 - датчик давления, 5 - самописец, 6 - вентили.

-если проба твёрдого вещества не обладает пористостью, то на её повер­ хности образуется нанофаза конденсированной жидкости (адсорбата). С повышением давления Psпара на поверхности твёрдого вещества посте­ пенно образуется монослой адсорбата, а затем и многослойная нанофаза адсорбата. Описанное явление называется физической адсорбцией;

-если проба твёрдого вещества является нанопористым материалом, то

сповышением давления Psпара нанопоры постепенно заполняется жид­ костью (адсорбатом). В данном случае также образуется нанофаза жид­ кости. Описанное явление называется капиллярной конденсацией.

Вобоих случаях между паром и нанофазой жидкости устанавливается равновесие и с увеличением отношения P J Р$ количество нанофазы m(ads)

иеё размер (толщина слоя адсорбата, размер заполняемых жидкостью пор) увеличивается (рис.6.7). Кривые 1 и 2 на рис.6.7 являются типичными изо­ термами адсорбции газа на поверхности непористого и нанопористого твёр­ дого вещества.

Обратимся теперь к эксперименту. Кривая 1 на рис.6.8 отражает равно­ весие между относительным давлением Ps /Р* азота при -196 °С и количе­ ством монослоёв адсорбата на поверхности непористого кремнезёма. Как видно, с увеличением толщины нанофазы адсорбата относительное давле­ ние азота увеличивается. Для сравнения на рис.6.8 (кривая 2) показана за­ висимость относительного давления азота от радиуса капли жидкого азота при -196 °С. Относительное давление Рг/ Р’ рассчитывали по уравнению

PIP*

s S

Рис.6.7. Типичные изотермы адсорбции на поверхности непористого (1) и нанопористого (2) твёрдого вещества.

Л .

За*

ps

(6.30)

RTr

в котором aL = 0.00892 Дж-м‘2, V = 34.576Т0'6 м3*моль''.

Сравнивая кривые 1 и 2 на рис.6.8, можно заметить, что во втором слу­ чае с увеличением размера нанофазы относительное давление Р / Р* умень­ шается, в то время как при адсорбции азота на поверхности твёрдого ве­ щества наблюдается обратный результат - с увеличением толщины нано­ фазы адсорбата относительное давление увеличивается.

Подробно данный вопрос рассмотрен ниже.

6.10.2. Внутренняя и свободная энергии адсорбата и жидкости

Для нанодисперсной жидкости, как известно, справедливы уравнения

Ud= U + U s,

(6.31)

Gd = G + Gs,

(6.32)

п о

10-

ÇL oS

Q.

ï*

в которых U1и Gd, U и G - внут­ ренняя и свободная энергии нанодисперсной и массивной жид­ кости, Usи Gs - поверхностная и свободная поверхностная энер­ гии нанодисперсной жидкости. Они определяются уравнениями

US = GLA,

(6.33)

Gs = - a LA,

(6.34)

в которых aLи А - удельная по­ верхностная энергия жидкости и молярная площадь поверхности.

В рассматриваемом случае относительное давление PJ Р’ и поверхностная свободная энер­ гия (5s жидкости связаны меж­ ду собой уравнением

1п1Г

G^_

(6.35)

RT'

 

 

 

Так как PJ P's > 1, то Gs < 0, то

Рис.6.8. Зависимость отношения Ps IPS

есть давление насыщенного пара

для нанофазы жидкого азота при -196 °С

нанофазы Ps превышает давле­

на поверхности кремнезёма от числа п

ние насыщенного пара Р$ мак-

монослоёв азота (кривая 1). Зависимость

рофазы жидкости, если Gs< 0. В

отношения Ps IPg от радиуса г капель

этом случае 1Р> 0.

жидкого азота при -196 °С (кривая 2).

Для нанофазы адсорбата при

 

адсорбции и капиллярной конден­

 

сации Ps /P* < 1 и поэтому по­

верхностная свободная энергия Gs(ads) адсорбата п олож и тельн а (Gs(ads)>G), а его поверхностная энергия lP(ads) отрицательна (Us(ads)

< 0).

Из уравнений

Ud(ads) = U + Us(ads),

(6 .36)

G \ads) = G + G \ads)

(6 .37)

следует:

 

Us(ads) = Ud(ads) - U,

(6 .38)

Gs(ads) = G \ads) -G .

(6 .39)

Так как Iliads) < 0, то из уравнения (6.38) следует, что внутренняя энергия адсорбата меньше, чем внутренняя энергия макрофазы жидкости. Други­ ми словами, внутренняя энергия жидкости при её переходе от макрофазы к нанофазе на поверхности твёрдого вещества уменьшается. Свободная энер­ гия при этом увеличивается. Сказанное схематически иллюстрирует рис.6.9. Подобная картина наблюдается и при капиллярной конденсации.

6.10.3. Давление насыщенного пара адсорбата

Относительное давление PJP'S в данном случае связано со свободной поверхностной энергией адсорбата уравнением

l n 4 = _ G V * )

(6.40)

Ps RT

43

со

ъ

43

•ое>

CD

Рис.6.9. Изменение внутренней энергии (/(ads) и свободной энергии Gd(ads) нанофазы адсорбата при физической адсорбции с увеличением числа п монослоёв адсорбата: U H G - внутренняя и свободные энергии макрофазы жидкости, (/(ads) и (/(ads) - поверхностная энергия и поверхностная сво­ бодная энергия адсорбата (схема).

Так как CP(ads) > 0, то в соответствии с экспериментом Ps /Р$< 1 (см.кривую 1 на рис. 6.8).

Уравнение (6.40) справедливо как для адсорбции, так и для капиллярной конденсации. Поэтому с его помощью можно найти величину G\ads), если известна зависимость отношения Ps IP* от количества адсорбата (напри* мер, от числа молей адсорбата на поверхности или в порах пробы).

6.10.4. Термодинамические характеристики адсорбата при

физической адсорбции

Как уже говорилось, при переходе макрофазы жидкости В к нанофазе

B(ads) или адсорбату

 

В = B{ads)

(6.41)

свободная энергия жидкости повышается на величину CP(ads), а её внут­ ренняя энергия уменьшается на величину Us{ads).

Величину CP(ads) можно определить с помощью экспериментальной зависимости массы m{ads) адсорбата от относительного давления P !P*S . Определив величины CPfads) при различных значениях m(ads), получим кривую Gs{ads),m{ads). При адсорбции часто определяют зависимость числа п монослоёв адсорбата от относительного давления. В этом случае получим кривую CP(ads),n.

Так как

Us{ads) = -G s{ads),

(6.42)

то кривую lf{ads),m{ads) (или п) можно получить с помощью

кривой

Gs(ads),m(ads) (или п).

 

С помощью кривой 1 на рис.6.8 и изложенной выше методики определе­ ны величины (P{ads) для азота при его адсорбции на поверхности кремне­ зёма при -196 °С. Эти данные при различных значениях относительного давления и числа п монослоёв адсорбата приведены в таблице 6.2.

Для того, чтобы определить удельную поверхностную энергию <s(ads)

адсорбата воспользуемся уравнением

 

Gs(ads) = -<s(ads)A.

(6.43)

Здесь А - молярная площадь адсорбата на границе с твёрдым веществом, которая зависит от числа п монослоёв адсорбата при п > 1 :