Файл: Стивен хокинг.pptx

Но на Планете появятся другие вызовы, другие серьёзные вопросы

Как прокормить постоянно растущее население?

Как обеспечить всех чистой водой?

Как получить возобновляемую энергию?

Как лечить и предотвращать болезни?

Как замедлить процесс глобального потепления?

Придётся искать ответы. А для этого потребуются

образованные и компетентные молодые люди.

Будьте отважны, пытливы, решительны,

преодолевайте трудности

и всё получится.

Знание некоторых принципов легко возмещает незнание некоторых фактов

Гельвеций

Дисперсность системы (D) – важный параметр, влияющий на свойства системы

Мерой раздробленности вещества может служить его

удельная поверхность

D = 1/l

l

l

l

l

где К = 6, 4, 2

К = 6

К = 4

К = 2

Дисперсность системы влияет на физические и химические свойства вещества.

Мелкие капельки легче испаряются ( давление пара над мелкими каплями жидкости больше, чем Р0, которое рассчитывается по уравнению Клаузиуса – Клапейрона).
Растворимость мелких кристаллов выше, чем крупных.
Тпл мелких кристаллов ниже, чем крупных. ( порошковая металлургия, керамические производства)
Дисперсность реагентов влияет на ΔG0T и, следовательно, константу равновесия химического процесса.
От размера частиц зависят теплоёмкость вещества.

Размерные эффекты связаны

с кривизной поверхности,
с изменением химических и физических свойств молекул, оказавшихся в поверхностном слое.

Тпл ,К

диаметр частиц, нм

0

5

10

15

Особые свойства поверхностного слоя. Поверхностное натяжение.

Молекулы поверхностного слоя находятся в нескомпенсированном силовом поле и поэтому обладают большей энергией, чем молекулы в объёме фаз.

определение

Избыток поверхностной энергии, приходящийся на 1см2 (1м2) поверхностного слоя, называют поверхностным натяжением на этой фазовой границе.

Обозначение: σ12 ; σж/г

Размерность: Дж/м2; мДж/м2

2. Поверхностное натяжение на границе двух фаз - это работа, которую нужно совершить в обратимых и изотермических условиях, чтобы получить 1 см2(1м2) поверхности раздела фаз.

На дробление

затрачивается работа

A

S см2

(S+1)см2

3.Поверхностное натяжение на границе двух фаз – это сила, действующая на 1см линии, разделяющей фазы, со стороны молекул, находящихся в объёме, и направленная в глубину фазы.

Силы поверхностного натяжения на границе ж/г натягивают нитку, привязанную к проволочному колечку.

Силы поверхностного натяжения удерживают металлические предметы на поверхности жидкости.

Зависимость поверхностного натяжения некоторых жидкостей от температуры

С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается и становится нулем при увеличении температуры до критической. Наиболее известная зависимость поверхностного натяжения от температуры была предложена Лорандом Этвёшом, так называемое правило Этвёша (англ.).
α = 0,1мН/м*К

где Vm- молярный объем жидкости; K- постоянная; Tкр- критическая температура.

Правило Этвёша

С увеличением температуры величина поверхностного натяжения уменьшается
и становится нулем при увеличении температуры до критической.

σ (Vm)2/3 = K(Tкр –T)

Факторы, влияющие на поверхностное натяжение жидкостей

Химическая природа вещества
Температура
Природа граничащих фаз
Наличие примесей
Кривизна поверхности жидкости

(поверхностное натяжение очень малых капель меньше, чем поверхностное натяжение более крупных объектов)

Поверхностное натяжение (в мН/м) для некоторых жидкостей при 250С

Вода 72
Этанол 22
Хлороформ 27
н-Гексан 18
н-Октан 22
Диэтиловый эфир 17
Ртуть 480

Поверхностное натяжение на границе фаз

определение

σ1 I 2

как избыточной энергии

как работы

как силы

чем сильнее молекулы притягиваются –

тем больше поверхностное натяжение

Смачивание

Краевой угол смачивания

Чем меньше краевой угол смачивания, тем лучше жидкость смачивает поверхность.

σтIг

σжIг

σтIж

доказательство 2-ого закона Лапласа

θ

θ

ограниченное смачивание

полное смачивание

θ = 0

2-ой закон Лапласа

Смачивание идеализированной поверхности: гладкой, плоской, химически однородной, жёсткой(недеформируемой)

σТ/Ж

σЖ/Г

σТ/Г

Условие полного смачивания

Измерение краевого угла смачивания методом сидячей капли

Дозированная капля жидкости наносится на горизонтальную твёрдую пластинку и помещается в термостатированную камеру.

Угол смачивания измеряется гониометром – микроскопом, окуляр которого имеет угловую шкалу.

Смачиваемость реальных поверхностей

Влияние шероховатости поверхности.
Влияние химической неоднородности.
Влияние деформации поверхности

Эффект лотоса

гидрофильные и гидрофобные поверхности

Хуже всех известных материалов водой смачивается тефлон: краевой угол смачивания = 1100!

поведение капли на шероховатой поверхности отличается от её поведения на гладкой поверхности из того же материала

нанотрава

Омнифобные покрытия и материалы

Нанотрава делает поверхность несмачиваемой и чистой

Новые материалы

Китайские ученые создали ткань на основе хлопка, которая полностью непроницаема для воды, и не теряет своих гидрофобных свойств даже после многократной стирки.
Водонепроницаемые свойства хлопку придали путем прививки гидрофобного полимера к волокнам материала. Этот полимер защищает хлопок от взаимодействия с водой. Так как вода имеет высокое поверхностное натяжение, капли в форме сферы просто скатываются.
Таким же образом собирается и удаляется грязь с поверхности некоторых природных материалов - эффект, который можно наблюдать в природе на листьях лотоса, которые остаются чистыми и сухими благодаря нано-размерным кристаллам воска (эффект лотоса).

Гаррет Маккинли из Массачусетского технологического института и его коллеги создали сверхтонкую сеть хитро переплетённых полимерных волокон, которую можно будет нанести на любую поверхность, сделав её несмачиваемой для любой жидкости.

Учёные определили зависимость механических свойств поверхности от четырёх геометрических параметров, определяющих периодичность элементов с входящими углами, их размеры, сами углы и высоту текстуры. Только при их правильной комбинации получающаяся текстура оказывается способной устойчиво отталкивать жидкости, прекрасно смачивающие ровную поверхность того же материала.

Отработав свою методику создания омнифобных поверхностей на обычных кремниевых пластинах, структурированных стандартными методами микроэлектроники, учёные создали самое интересное – покрытия, которые можно нанести на практически любой материал, смачиваемость которого нужно свести к минимуму.

Омнифобные покрытия и материалы

Гаррет Маккинли из Массачусетского технологического института и его коллеги создали сверхтонкую сеть хитро переплетённых полимерных волокон, которую можно будет нанести на любую поверхность, сделав её несмачиваемой для любой жидкости.

Когезия это взаимодействия внутри фазы

Работа когезии – это работа, которую необходимо совершить для разрыва тела по сечению 1см2 в обратимых и изотермических условиях.

1см2

1см2

Аког

Аког= 2σт/г

Адгезия (прилипание) фаз

Работа адгезии – это работа, которую нужно затратить для отделения друг от друга 1см2 контактирующих разнородных фаз в обратимых и изотермических условиях.

жидкость

твёрдое тело

твёрдое тело

жидкость

газ

σЖ/Г+ σТ/Г

σТ/Ж

Аадг

Аадг = σЖ/Г + σТ/Г – σТ/Ж

Оценить работу адгезии жидкости к твёрдому телу. Уравнение Дюпре - Юнга

WА = σж/г (1 + cosθ)

Адгезия пузырьков газа к поверхности твёрдого тела, находящегося в жидкости.
Адгезия любых гидрофобных объектов к гидрофобной поверхности и друг к другу.

При отделении пузырьков газа от твёрдой поверхности

избыточная энергия на фазовой границе т/г заменяется

избыточной энергией на границах т/ж и ж/г.

WА( стекла к пузырьку) = σж/г (1 - cosθ)

Флотация гидрофобных частиц

Капиллярное давление. 1–ый закон Лапласа

Давление в системе с вогнутой стороны (Р2) больше,

чем с выпуклой стороны (Р1);

Разность внутренних давлений (∆Р = Р2 – Р1)

называют капиллярным давлением.

уравнение капиллярной конденсации Кельвина (Томпсона)

Изотермическая конденсация

Конденсация в порах

уравнение капиллярного поднятия Жюрена

Уравнение Дюпре – Юнга

WА = σж/г (1 + cosθ)

WА(стекла к пузырьку) = σж/г (1 - cosθ)

Формула Жюрена

Капилляр в смачивающей (а) и не смачивающей (б) жидкостях

Капиллярные явления.

Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей

стенки (вода в стеклянном сосуде и капилляре).

r

r

R

Давление насыщенного пара над каплей (или над любой другой выпуклой жидкой поверхностью) больше, чем над плоской жидкой поверхностью.

Р0 - давление насыщенного пара

над плоской поверхностью

P > P0

P > P0

P < P0

P < P0

Давление пара над вогнутой поверхностью меньше, чем над плоской

КОНЕЦ

Самопроизвольные процессы, протекающие в поверхностном слое при постоянной температуре и неизменном объёме слоя

(T,V =const)

должны уменьшать избыточную поверхностную энергию.

Fизб. = σ1|2 ∙ S1|2

Чем объяснить особые свойства дисперсных систем?

Многие особые свойства высокодисперсных систем обусловлены их естественным стремлением снизить избыточную поверхностную энергию, которая в общем случае пропорциональна поверхности (S12) и удельной поверхностной энергии(σ12).
снижение поверхностной энергии может быть реализовано как путем сокращения величины поверхности, так и изменением структуры поверхности.
Снижение величины σ12 при S  const и Vconst может осуществляться путем перестройки атомных слоев, непосредственно примыкающих к межфазовой поверхности раздела или за счет адсорбции на этой поверхности компонентов из объема сопредельных фаз.