19
КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Котиков Дмитрий Анатольевич Доцент кафедры физической химии Белорусского государственного университета кандидат химических наук, доцент кандидат химических наук, доцент

Капиллярные явления. Котиков Д.А

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Капиллярные явления. Котиков Д.А

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Котиков Дмитрий Анатольевич

Доцент кафедры физической химииБелорусского государственного университета

кандидат химических наук, доценткандидат химических наук, доцент

Page 2: Капиллярные явления. Котиков Д.А

Плоская поверхность – не объясняет некоторые явления!

Причина капиллярных явлений –искривление поверхности!

Page 3: Капиллярные явления. Котиков Д.А

Идеально гладкая плоская поверхность – исключение!

Сильно выраженное искривление характерно для высокодисперсных систем – частиц дисперсной фазы золей, суспензий, эмульсий, нитей, капелек жидкости в газе и т. п.

Page 4: Капиллярные явления. Котиков Д.А

p(внешн)

p(внутр)

Искривление поверхности

Давления в контактирующих фазах не одинаковы! •вносит изменения в термодинамические свойства систем

•вызывает капиллярные явления (возникают при смачивании, диспергировании и т.п.)

p(внешн) > p(внутр)

Аналогия?

Page 5: Капиллярные явления. Котиков Д.А

Изменение площади и положения поверхности

Кривизна поверхности

Радиус кривизны – это радиус окружности, описывающей данную поверхность

r

dS

dV

Page 6: Капиллярные явления. Котиков Д.А

Искривление поверхности изменение объема и площади поверхности фаз

dV1 = –dV2, так как Vобщ = const

Изменение энергии – р1dV1 и р2dV2

1 1 2 2dA p dV p dV dS

В состоянии равновесия dA = 0

1 2 2 2 σp dV p dV dS

2 1p p dV dS

2 1 σdS

p pdV

dS

dV – кривизна поверхности

2 1p p p – капиллярное давление (лапласовское давление)

dSp

dV

уравнение Лапласа

• добавочное давление, которое в зависимости от знака кривизны поверхности, увеличивает или уменьшает внутреннее давление по сравнению с давлением при наличии плоской поверхности

• разность давления в фазах, разделенных искривленной поверхностью

Page 7: Капиллярные явления. Котиков Д.А

2

23

4 8 24 4

3

d rdS r

dV rrd r

2p

r

1dS

dV r

1 2

1 1dS

dV r r

Для сферы:Для

цилиндра:

r1 и r2 – главные радиусы кривизны

В общем случае:

pr

1 2

1 1p

r r

dSp

dV

Радиус кривизны – это радиус окружности, описывающей данную поверхность

r1

r2

Page 8: Капиллярные явления. Котиков Д.А

2p

r

выше дисперсность

меньше радиус кривизны (r) больше кривизна2

r

выше капиллярное давление p

1

2D

r

Для сферической поверхности

Page 9: Капиллярные явления. Котиков Д.А

Фазы, разделенные искривленной поверхностью, могут находиться в равновесии только при разных давлениях внутри фаз!

2p

r

2p

r

0p

2p

r

центры кривизны

положительнаякривизна,

давление внутрифазы больше

отрицательнаякривизна,

давление внутрифазы меньше

pp

плоскаяповерхность

Page 10: Капиллярные явления. Котиков Д.А

02p ghr

Равновесие: давление Лапласа = гидростатическое давление

h – высота капиллярного поднятияρ – плотность жидкости; ρ0 – плотность газовой фазы;r – радиус кривизны (радиус мениска).

0 0

2 cos

( )h

r g

формула Жюрена

Капиллярныйвечный двигатель?

r = 0,5 мкмh = 30 м

Page 11: Капиллярные явления. Котиков Д.А

Термодинамическая реакционная способность (µ, dU, dH, dG…)

Способность вступать в химические реакции

Физические свойства

дисп i ii

dG SdT Vdp dn Диспергирование Искривление поверхности

Образование капель жидкости из газовой фазы

p, T, n = const V = Vм

дисп мdG V dp дисп м м2

G V p Vr

дисп м2

G Vr

дисп ln rpG RT

p

м2ln rp V

p rRT

уравнение Томсона (Кельвина)условия равновесия жидкости и пара при наличии между ними искривленной поверхности (жидкость в капилляре или жидкость в виде капли)

ВЛИЯНИЕ КРИВИЗНЫ ПОВЕРХНОСТИ НА ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКУЮ РЕАКЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ

Page 12: Капиллярные явления. Котиков Д.А

м2ln rp V

p rRT

0dS

dV

Капиллярная конденсация

0dS

dV pr > p∞

pr < p∞

Изотермическая перегонка

искусственноедождевание!

Page 13: Капиллярные явления. Котиков Д.А

м2ln rc V

c rRT

Влияние кривизны поверхности нарастворимость твердых тел

уравнение Гиббса – Фрейндлиха – Оствальда

Рекристаллизация

0dS

dV

0dS

dV сr > с∞

сr < с∞

выступы растворяются

углубления заращиваются

плоская поверхность

Page 14: Капиллярные явления. Котиков Д.А
Page 15: Капиллярные явления. Котиков Д.А
Page 16: Капиллярные явления. Котиков Д.А

дисп ln диспKG RT

K

27

Page 17: Капиллярные явления. Котиков Д.А

Механические свойства почв,технических, пищевых, лекарственных порошков

Стягивающие силы между частицами при наличии мениска

Page 18: Капиллярные явления. Котиков Д.А

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Метод расщепления по плоскости спайности

Метод нулевойползучестиГ. Тамман, Н. Удин

F

d

2

2 3

6 Fl

Ed h

Page 19: Капиллярные явления. Котиков Д.А