ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Роль поверхностного натяжения при образовании новой фазы Зародыши из "Термодинамика и статистическая физика " Термодинамика поверхностных явлений была развита Гиббсом. Он принимал поверхностный слой за новую поверхностную фазу , отличную от объемных фаз тем, что ее толщина чрезвычайно мала по сравнению с протяженностью в двух других измерениях, и поэтому рассматривал поверхностный слой как геометрическую разделяющую поверхность, применяя к ней общие термодинамические уравнения. [c.151] Площадь поверхности S фазы является наряду с объемом V новым параметром, характеризующим состояние системы. Увеличение температуры и объема сопровождается затратой работы, так как для образования новой поверхности некоторые частицы из объема должны перейти на поверхность, что связано с работой против сил молекулярного взаимодействия. [c.151] Что же касается давлений в фазах, то, так как теперь на границе учитываются силы поверхностного натяжения, равновесие между фазами наступает, вообще говоря, при разных давлениях в фазах. Найдем это условие механического равновесия в системе из двух фаз жидкость ( ) и пар ( ), исходя из минимума свободной энергии при r = onst и y= onst. [c.152] Из формулы (9.2) видно, что при постоянном объеме капли (V = onst) ее равновесная форма определяется минимумом поверхности S. Следовательно, жидкость, находящаяся под действием только сил поверхностного натяжения, принимает-шарообразную форму, так как при данном объеме минимальной поверхностью обладает шар. [c.153] Это утверждение называется теоремой Вульфа. Докажем ее. [c.154] Уравнения (9.10) и (9.13) являются геометрической иллюстрацией условий равновесия кристалла и справедливы для любой точки. [c.156] Стремление кристалла принять равновесную форму, определяемую теоремой Вульфа, с увеличением размера кристалла уменьшается, так что практическое значение теоремы относится прежде всего к малым кристаллам (не превышающим 1 нм). [c.156] Как известно, в устойчивом равновесии всякая система в зависимости от характера внешних условий имеет минимум одногО из своих термодинамических потенциалов и при изменении этих условий переходит из одного устойчивого состояния в другое. Например, когда воде сообщается теплота при нормальном атмосферном давлении, то она или нагревается, или закипает и частично переходит в пар, как только ее температура достигает 100°С. Однако известно также, что путем очистки жидкости можно добиться ее перегрева и фазовый переход не наступит при тем пературе, заметно превышаюпд,ей температуру кипения при данном давлении. Аналогично обстоит дело и в случае других фазовых переходов первого рода в чистом паре затягивается конденсация (переохлажденный пар), в чистой жидкости или растворе затягивается переход в кристаллическое состояние (пересыщение). [c.157] Для всякой метастабильной фазы существует некоторый минимальный размер, которым должно обладать образовавшееся внутри нее вследствие флуктуаций скопление другой фазы, чтобы эта другая фаза оказалась устойчивее первоначальной. При меньших размерах основная фаза остается все же устойчивее этих флуктуаций и они исчезают. Такие скопления новой фазы, обладающие минимальными размерами, называются зародышами. [c.158] Отсюда видно, что критический радиус зародыша пропорционален коэффициенту поверхностного натяжения. Разность ц.1—ji2-в знаменателе показывает, что чем больше пересыщен пар (чем больше эта разность), тем меньше критический радиус и тем скорее начнется конденсация. [c.159] Аналогично обстоит дело и в случае других фазовых переходов первого рода при кипении жидкости этими зародышами являются пузырьки пара, при кристаллизации — кристаллики. Но роль зародышей в этих случаях могут играть не только пузырьки илк кристаллики данного вещества, но и частицы постороннего вещества (загрязнения). [c.159] Перегретой называется жидкость, нагретая выше температуры кипения (т. е. температуры, при которой упругость паров жидкости, находящейся под внешним давлением Р, делается равной этому внешнему давлению), но не кипящая, т. е. не образующая под поверхностью пузырен пара, а лишь испаряющаяся с поверхности. Давление насыщенных паров над плоской поверхностью такой жидкости Роо Р. Если при этом в жидкости образуется пузырек, то его критический радиус, очевидно, найдем, положив в формуле (9.16) Р2=Рсо и Pi = P Ркр = 2(т/(Рсо—Р). [c.160] Вернуться к основной статье