Лекция 2. Явления на поверхности

реклама
Кафедра ВЭПТ
«Основы физики поверхности и
тонких пленок»
Лекция 2
Тема:
2. Явления на поверхности твёрдого
тела
2.1 Поверхностная энергия,
поверхностное натяжение.
2.2 Кипение и испарение жидкости.
2.3 Сублимация.
2.4 Давление насыщенных паров.
2.5 Конденсация.
1
Поверхностная энергия, поверхностное натяжение
Cредняя энергия gs частицы, находящейся на поверхности раздела фаз,
отличается от средней энергии такой же частицы в объеме фазы gv
(причем энергия частицы на поверхности может быть как больше, так и
меньше энергии частицы в объеме). Поэтому важнейшей характеристикой
поверхностной фазы является поверхностная энергия Gs – разность
средней энергии частицы, находящейся на поверхности, и частицы,
находящейся в объеме фазы, умноженная на число частиц на поверхности
N:
Очевидно, что общая величина поверхностной энергии фазы будет
определяться величиной её поверхности S. Поэтому для характеристики
поверхности раздела, отделяющей данную фазу от другой, вводится
понятие поверхностное натяжение σ – отношение поверхностной энергии
к площади поверхности раздела фаз; величина поверхностного натяжения
зависит только от природы обеих фаз.
Понятия гидрофобности и гидрофильности

Рис 1. Гидрофильная
поверхность

Рис 2. Гидрофобная
поверхность
Уравнение Юнга:
 Т   ТЖ
cos  
Ж
Рис 3. Cилы действующие на каплю жидкости
находящуюся на поверхности твердого тела
Кипение и испарение жидкости.
Испарение и конденсация
Испарение – это парообразование, которое происходит только со свободной
поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой. Молекулы жидкости
могут двигаться с разными скоростями. Наиболее быстрые из них обладают
достаточной энергией, чтобы покинуть жидкость, преодолев силы притяжения со
стороны молекул, расположенных в поверхностном слое жидкости.
Очевидно, количество молекул, улетающих с единицы поверхности жидкости
в единицу времени, тем больше, чем больше температура жидкости. Улетевшие
молекулы уносят с собой энергию, поэтому при испарении происходит
уменьшение температуры жидкости (охлаждение). Для поддержания неизменной
температуры испаряющейся жидкости к ней необходимо подводить тепло.
Количество тепла, которое необходимо сообщить жидкости для ее
испарения
при
постоянной
температуре,
называется
теплотой
парообразования:
Q = rm,
где r – удельная теплота парообразования. Она показывает, какое количество
тепла нужно затратить, чтобы обратить в пар 1 кг жидкости при неизменной
температуре.
Часть подводимой теплоты расходуется на совершение работы против сил
притяжения между молекулами при выходе из жидкости и сообщение молекулам
кинетической энергии, другая тратится на работу против сил внешнего давления
при увеличении объема образовавшегося пара. Величина r
уменьшается с
увеличением температуры, так как меньше приходится затрачивать энергии на
совершение работы выхода. Например, для воды r =2,5·106 Дж/кг при t = 0ºС,
при t = 100ºС r =2,26·106 Дж/кг .
В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекулы
пара снова могут попасть на эту поверхность и вернуться в жидкость. Этот
процесс называется конденсацией пара.
испарение
Ж
парообразование
кипение
Г
конденсация
Испарение – парообразование ,
происходящее с поверхности жидкости.
Как происходит испарение?
Водяной пар
Кипение и испарение жидкости.
Q
Молекулы
жидкости
При испарении жидкость охлаждается.
Проверь себя :
Всякая ли молекула может покинуть
жидкость?
 Почему при испарении температура
жидкости понижается?
 Почему испарение происходит при
любой температуре?

От чего зависит скорость испарения?

От рода жидкости
Быстрее испаряется та
жидкость , молекулы
которой притягиваются
друг к другу с меньшей
эфир
вода
силой.
быстро
медленно
Испаряющиеся жидкости
От
температуры жидкости
45°С
80°С
вода
вода
t1>t2
Испарение
происходит тем
быстрее ,чем
выше
температура
жидкости

От площади поверхности жидкости
s1
s2
вода
вода
Чем больше
площадь
поверхности
жидкости ,тем
быстрее
происходит
испарение.
v1=v2 s1>s2
От
ветра
ветер
Ветер уносит
молекулы пара.
Испарение
происходит
быстрее.
В ясную или
пасмурную погоду
быстрее высохнет
белье?
В стакане или в
чашке быстрее
остынет чай?
Каково назначение
веера?
Как происходит конденсация?
Q
При конденсации часть молекул пара
возвращается обратно в жидкость.
Конденсация в природе:
Р
О
О
О
Б
Б
С
Р
Л
ы
А
З
О
Т
У
М
а
Н
а
А
К
О
В
В
Д
А
О
Н
Ж
И
Д
Я
Насыщенный и ненасыщенный пар
Если число молекул, вылетающих из жидкости, равно
числу молекул, возвращающих обратно в жидкость, то
наступает динамическое равновесие между жидкостью
и паром
Пар, находящийся в динамическом
равновесии со своей жидкостью, называется
насыщенным паром
рис. 4
Изотермы реального газа. Область I – жидкость, область II –
двухфазная система «жидкость + насыщенный пар», область
III – газообразное вещество. K – критическая точка
В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды при некотором
парциальном давлении p, которое, как правило, меньше давления насыщенного
пара p0. Отношение p / p0, выраженное в процентах, называется
относительной влажностью воздуха.
Фазовая диаграмма
Типичная фазовая диаграмма
вещества.
K – критическая точка, T – тройная
точка.
Область I – твердое тело, область
II – жидкость, область III –
газообразное вещество.
рис. 5
Кривая OT,
соответствующая равновесию
между твердой и газообразной
фазами, называется кривой
сублимации. Кривая TK
равновесия между жидкостью
и паром называется кривой
испарения, она обрывается в
критической точке K. Кривая
TM равновесия между твердым
телом и жидкостью называется
кривой плавления.
Кривые равновесия
сходятся в точке T, в которой
могут сосуществовать в
равновесии все три фазы. Эта
точка называется тройной
точкой.
Сублимация
Есть и еще один тип фазового
перехода — из твердого состояния
вещества непосредственно в газообразное
(минуя жидкость). Такое фазовое
превращение называется возгонкой, или
сублимацией. Самый бытовой пример:
вывешенное сушиться на мороз сырое
белье. Вода в нем сначала кристаллизуется
в лед, а затем — под воздействием прямых
солнечных лучей — микроскопические
кристаллики льда попросту испаряются,
минуя жидкую фазу. Другой пример: на
рок-концертах «сухой лед» (замороженная
двуокись углерода CO2) используется для
устройства дымовой завесы — она
испаряется прямо в воздух, окутывая
выступающих музыкантов и также минуя
жидкую фазу. Соответственно, на
преобразование твердого вещества
непосредственно в газ затрачивается
энергия сублимации.
Примером обратного процесса
образования кристаллов из паров является
образование инея и снежинок из водяных
паров воздуха.
Скачать