ФХОЭТ_Сидорова_М1-Л3 (1076346)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Московский государственный технический университет им.Н.Э.БауманаФакультет: Машиностроительные технологии (МТ)Кафедра: Электронные технологии вмашиностроении (МТ11)Физико-химические основыэлектронныхтехнологийСидороваСветланаВладимировна,асс.каф.МТ11МГТУим.Н.Э.

БауманаE-mail:sidorova_bmstu@mail.ru2016Модуль1«Общиеположения,понятияиопределения»Лекция32Структуратермодинамики3ОсновытермодинамикиповерхностныхявленийСистема – телоилинесколькотел,находящихсявовзаимодействиимеждусобой(диффузия,теплообмен,химическая реакция)иотделенныхотокружающейсреды.Гомогеннаясистема– система,вкоторойвсемакроскопические свойствавлюбыхеечастяхимеютодноитожезначениеилинепрерывноменяютсяотточкикточке(ненасыщенныерастворы,пар,газовыесмеси).Гетерогеннаясистема– система,составныечастикоторойотделеныдруготдругавидимымиповерхностямираздела,накоторыхпроисходятрезкиескачкообразныеизменениякакого-либосвойства(насыщенныйрастворкакой-либосоли,находящийсявравновесиискристалламиэтойсоли,двенесмешивающиесяжидкостиит.д.).4ОсновытермодинамикиповерхностныхявленийТермодинамическаясистема – совокупностьтел,энергетическивзаимодействующихмеждусобойисдругимителами,обменивающихсяснимивеществом.Термодинамическиесистемыделятнаизолированные (этотесистемы,которыенеобмениваютсяэнергиейивеществомсдругимисистемами),открытые (тесистемы,которыеобмениваютсясокружающейсредойивеществом,иэнергией),закрытые (системы,вкоторыхестьтолькообменэнергией).5ОсновытермодинамикиповерхностныхявленийТермодинамическиефункции– этовеличины,которыеизменяютсявзависимостиотсостоянияитермодинамическихпараметровсистемы.Функциисостояния,которыезависяттолькоотсостояниясистемыинезависятотпутипротеканияпроцесса(внутренняяэнергия,энтальпия,энергияГельмгольца,энергияГиббса,энтропия).Функциипроцесса(перехода),значениекоторыхзависитотпути,покоторомупроисходит6изменениесистемы(теплотаиработа).ТермодинамическиефункциисостоянияВнутренняяэнергия– разностьмеждуколичествомтеплоты,сообщеннымсистеме,иработой,совершеннойсистемойнадвнешнимителами:Энтальпия – теплосодержание,т.е.энергия,котораядоступнадляпреобразованиявтеплотуприопределенномпостоянномдавлении:(дляP=const),гдеP– давление,V– объем.Энтропия – отношениеобщегоколичестватеплаквеличинеабсолютнойтемпературы:(дляT=const).ЭнергияГельмгольца дляквазистатическогоизотермическогопроцессаопределяетработусистемынадвнешнимисилами:ЭнергияГиббса– величина,показывающаяизменениеэнергиивходехимическойреакцииидающаятакимобразомответнавопросопринципиальнойвозможностипротеканияхимическойреакции:ЭнергиюГиббсаможнопониматькакполнуюхимическуюэнергиюсистемы(жидкости,кристалла).7ТермодинамическиефункциипроцессаКоличествотеплоты(теплота)– энергия,которуюполучаетилитеряеттеловпроцессетеплообменасокружающейсредой.ΔQ=A +ΔU,гдеΔU— изменениевнутреннейэнергиисистемы;ΔQ— количествотеплоты,переданноесистеме;A — работа,совершённаясистемой.Работа (термодинамическая)- способпередачиэнергии,связанныйсизменениемвнешнихпараметров.где- нормальэлементарнойбесконечномалойплощадки; P – давление;dV – бесконечномалоеприращениеобъема.Длятермодинамическогопроцессаот1к2работабудетвыглядиттак:8ИзбыточныетермодинамическиефункцииИзбыточнаятермодинамическаяфункция– разностьмеждутермодинамической функциейреальногораствораизначениемэтойфункциидлясоответствующегоемуидеальногорастворапритехжеТ ир.Функциясмешения– эторазностьмеждутермодинамическойфункцией раствораg (идеальногоилиреального)исуммойтермодинамическихфункций чистыхкомпонентовраствораg0 сучетомихколичественныхсоотношений:9ИзбыточныетермодинамическиефункцииПометодуГиббса:Пометодуслояконечнойтолщины:Объединенноеуравнение1и2началтермодинамики:Вметодеслояконечнойтолщиныповерхностьразрыварассматриваетсякакреальныйслой,которыйотличаетсяотобъемныхфазтем,чтообладаетизбыточнойэнергиейσs.Вэтомметодевводитсяпараметртолщиныповерхностногослоя.Гиббспредпочелидтипопутиболеесхематичногоописаниятермодинамики10поверхностныхявлений.ПоверхностныеявленияПоверхностными называютявленияилипроцессы,проходящиенаграницахразделафраз.Вещества,составляющиефазы,могутнаходитьсяводномизтрехагрегатныхсостояний:твердом(Т),жидком(Ж)игазообразном(Г).Еслидвеконтактирующиефазыспособныперемещатьсянезависимодруготдруга,тотакиеграницыразделафазназываютсяподвижными.Книмотносятсяграницыразделагаз-жидкость(Г/Ж)ижидкость-жидкость(Ж/Ж).Еслихотябыоднаизфазнеспособнаперемещаться,тотакиеграницыразделафазназываютсянеподвижными.Этограницыгаз-твердоетело(Г/Т),жидкостьтвердоетело(Ж/Т)итвердоетело-твердоетело(Т/Т).11ПоверхностныеявленияКогезия – притяжениеатомовилимолекулвнутриотдельнойфазы,обусловленноемежмолекулярнымиимежатомнымивзаимодействиямиразличнойприроды.Работакогезии (WK)- работа,затрачиваемаянаразрывтелапосечению,равномуединицеплощади(величинуWKчастоназываютпрочностьюнаразрывиликогезионнойпрочностью):WK = 2σАдгезия – взаимодействиемеждуразнороднымиконденсированнымителамиприихмолекулярномконтакте.Причинаадгезии– молекулярноепритяжениеконтактирующихвеществилииххимическоевзаимодействие.Работаадгезии(WA)– работа,которуюнеобходимосовершитьдляразделениядвухконтактирующихфаз(поуравнениюДюпре):WА = σ 21 + σ 31 − σ 2312ПоверхностныеявленияСмачивание (адгезияжидкости)– взаимодействиежидкостиствердымилидругимжидкимтеломприналичииодновременногоконтактатрехнесмешивающихсяфаз,однаизкоторыхобычноявляетсягазом(воздух).Вусловияхравновесия:σТГ =σТЖ +σЖГ ·cos θcosθ =σ ТГ − σ ТЖ– законЮнгаσ ЖГ1.

ЕслиσТГ>σТЖ,тоcos θ >0,θ < 90°- краевойуголострый- смачивание.1. ЕслиσТГ <σТЖ,тоcos θ <0,θ > 90° - краевойуголтупой– несмачивание.1. ЕслиσТГ =σТЖ,тоcos θ =0,θ =90° - граница междусмачиваемостью инесмачиваемостью.1. ЕслиσТГ – σТЖ =σЖГ,тоcos θ =1иθ =0° - полноесмачивание(растекание)–каплярастекаетсявтонкуюпленку.13ПоверхностныеявленияСвязькраевогоугласмачиваниясработойадгезииИз уравнения ДюпреWA= σТГ+σЖГ– σТЖσ ТГ – σТЖ= WА– σЖГПолучаемПодставим в уравнение Юнга:σ ТГ − σ ТЖ WА − σ ЖГ WАcosθ ===−1σ ЖГσ ЖГσ ЖГЕсли WА > σЖГ, то cos θ > 0 ,Если WА < σЖГ,смачивание.то cos θ < 0 , несмачивание.(Твердые тела лучше смачивают неполярные жидкости.)14Поверхностноенатяжение15ПоверхностноенатяжениеЭнергетическоеопределение:Поверхностноенатяжение(σ)– работаобратимогоизотермическогопроцесса,затраченнаянаобразованиеединицыплощадиповерхностиразделафаз:⎡ δWравн ⎤σ = −⎢⎥⎣ ds ⎦ p ,TСиловоеопределение:Поверхностноенатяжение– сила,направленнаятангенциально(параллельно)кповерхностииприходящаясянаединицудлиныпериметра,ограничивающегоэтуповерхность.Физическаясущность– поверхностныемолекулыстремятсяуйтивглубьконденсированнойфазы,темсамым,сжимаяповерхность.СИ:Дж/м2 =Н∙м/м2 =Н/м16ПоверхностноенатяжениеТермодинамическоеопределение:Поверхностноенатяжение - частнаяпроизводнаяотлюбоготермодинамическогопотенциалапоплощадимежфазнойповерхностиприпостоянныхсоответствующихпараметрах.dG = −SdT + Vdp + σds + ∑ µi dni + ϕdqПрипостоянныхТ,р,ni, q имеем:⎡ ∂G ⎤σ =⎢ ⎥⎣ ∂s ⎦ p ,T ,ni ,q⎡ ∂G ⎤⎡ ∂U ⎤⎡ ∂H ⎤⎡ ∂A ⎤σ =⎢ ⎥=⎢==⎥⎢⎥⎢⎥∂s∂s∂s∂s⎣ ⎦ p ,T ,ni ⎣⎦ S ,V ,ni ⎣⎦ S , p ,ni ⎣ ⎦ T ,V ,ni17ПоверхностноенатяжениеЧислофазf,находящихсяодновременновравновесии,связаносчисломкомпонентовk,числомnнезависимыхпараметров,определяющихсостояниесистемы,ичисломтермодинамическихстепенейсвободыvуравнением:v=k–f+nАО,СО,ВО – двефазыО – тройная точка(трифазыодновременно)В – критическаяточкаДляоднокомпонентнойсистемыv=3– fv– числостепенейсвободы,количествонезависимыхпеременных(давление,температура,концентрация),которыемогутпроизвольноизменяться,неоказываявлиянияначислоравновесных18фазвсистеме.ПоверхностноенатяжениеПравилофазГиббсаЧислостепенейсвободыравновеснойтермодинамическойсистемы,накоторуюизвнешнихфактороввлияюттолькодавлениеитемпература,равночислукомпонентовсистемыплюсдва,минусчислофаз:v =k– f +2Данномуправилуподчиняютсявсеравновесныесистемы,состоящиеизлюбогочислафазилюбогочиславеществ.Межфазная поверхность(физическаяповерхностьраздела)– конечныйпотолщинеслой,19вкоторомпроисходитпереходотсвойстводнойфазыксвойствамдругой.ТермодинамическоеуравнениеГиббсаdG = −SdT + Vdp + σds + ∑ µi dni + ϕdqВусловияхизобарно-изотермическогопроцесса(dT =0,dp =0)вотсутствиифизико-химическихиэлектростатическихвзаимодействийграничныхфаз(dni =0,dq =0)изуравненияполучим:Значения поверхностногонатяженияввидеэнергииисилыдлярастворов:дляиндивидуальныхвеществдлярастворов20СвязьповерхностногонатяжениясобъемнымисвойствамичастицУравнениеЛапласаВрезультатеискривленияповерхностисовершаетсяработаδW,котораяприводиткизменениюобъемателанавеличинуdV.δW = ΔpdV = −dGdG = −SdT + Vdp + σds + ∑ µi dni + ϕdq − ΔpdViПрипостоянныхТ,р,ni,q вусловииравновесияdG = 0:0 = σds − ΔpdVТогда⎛ ds ⎞Δp = σ ⎜⎟⎝ dV ⎠dsdV,где- кривизнаповерхности.Кривизнаповерхностиможетбыть2σ положительнойиотрицательной.Δp∩ = +r2σΔp∪ = −r21СвязьповерхностногонатяжениясобъемнымисвойствамичастицУравненияЛапласаДлясферическихчастиц:Длячастиццилиндрическойформы:Длячастицпроизвольнойформы:ds 2=dV r2σΔp = ±rds 1=dV rσds ⎛ 1 1 ⎞= ⎜⎜ + ⎟⎟dV ⎝ r1 r2 ⎠Δp = ±r⎛1 1⎞Δр = ±σ ⎜⎜ + ⎟⎟⎝ r1 r2 ⎠22Поверхностноенатяжениеитемпература⎛ ∂σ ⎞⎜⎟ <0⎝ ∂Т ⎠ РДля большинства неполярных жидкостей:σ Т = σ 0 − αΔТгде α – температурный коэффициентповерхностного натяженияα = − ∂σ ∂ТДля многих веществ температурные коэффициенты поверхностного натяжениянаходятся в пределах от -0,1 до -0,2 мДж/(м2К).23Контрольныевопросы1.

Типытермодинамическихпроцессов.Избыточныетермодинамическиефункции.2. Термодинамическиефункциисостояния.3. Термодинамическиефункциипроцесса.4. Поверхностныеявления:примерыпроявления(до5примеров).5. Связьповерхностногонатяжениясобъёмнымисвойствамичастиц.24.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций