Беттік құбылыстың термодинамикасы

Орындаған: Орманбек А.

Тексерген: Слямова М. М

ШЫҒЫС ҚАЗАҚСТАН ОБЛЫСЫ СЕМЕЙ ҚАЛАСЫ ҚАЗАҚ ИННОВАЦИЯЛЫҚ ГУМАНИТАРЛЫҚ-ЗАҢ УНИВЕРСИТЕТІ

Беттік құбылыстар - шекаралық қабатта артық еркін энергияның (беттік энергияның) болуынан, беттік қабат молекулаларының белсенділігінің жоғарылығынан олардың құрылымы мен құрам ерекшеліктерінен туындайтын құбылыстар. Денелердің физикалық және химиялық әсерлері ең алдымен осы беттік қабатта өтеді. Негізгі беттік құбылыстар бет ауданына пропорционал беттік энергияның кемуіне байланысты болып келеді. Сұйықтық тамшыларының немесе газ көпіршіктерінің, т. б. тепе-тең пішіндерінің түзілуі тұрақты көлемдегі еркін энергияның минимум шамасымен анықталады.

Молекулалық күштер (беттік керілу және жұғу) мен сыртқы күштердің (ауырлық күшінің) біріге әсер етуінен пайда болатын және сұйықтықтың бөліну бетін қисайтатын беттік құбылыстарды капиллярлық құбылыстар дейді. Қатты денелерде беттік құбылыстар ең алдымен олардың сыртқы бетінде байқалады. Мұндай құбылыстарға тістесу (когезия), жабысу (адгезия), жұғу және үйкеліс жатады.

Беттік құбылыстар дененің ішкі беттерінде де болады. Олар кристалдық тор ақауынан туындайды. Қатты денені кез келген пішінде бұзу да беттік құбылыстарға жатады. Өйткені бұл кезде денеде жаңа бөліну беттері түзіледі. Беттік құбылыстардың едәуір тобын беттік қабаттың химиялық құрамын өзгертетін адсорбтау құбылыстары құрайды. Беттік қабаттардағы жылулық қозғалыстың ерекшелігі салдарынан беттерден жарықтың молекулалық шашырау құбылысы болады.

Бұл құбылыстар иондар мен дипольді молекулалардың адсорбтануына байланысты. Жылу алмасу және масса алмасу процестерінің (еру, булану, қоюлану, кристалдану, коррозия, т. б. ) жылдамдығы бөліну бетінің шамасы мен қасиетіне байланысты анықталады. Сондықтан ол осы беттегі молекулалардың табиғатына және сол беттің құрылысына ерекше тәуелді болады.

Беттік құбылыстардың басқа бір тобына термоэлектрондық эмиссия құбылысы, фазалардың бөліну бетінде потенциал секірмесінің пайда болуы және қос электр қабатының түзілуі жатады.

Адсорбтау қабаты фазааралық алмасу процестерін тежеп, елеулі өзгерістер енгізе алады. Беттік құбылыстар берілген ортадағы материалдар мен құралымдардың ұзақ уақытқа төзімділігін анықтайды. Бөліну бетінде бір молекулалы қабат түзетін адсорбтаушы заттардың аз мөлшерінің өзі материалдардың көптеген қасиетін өзгертуге мүмкіндік береді. Бір молекулалы беттік қабаттарды зерттеп білу молекулаларды зерттеудің және олардың мөлшерін анықтаудың жаңа тәсілін береді. Беттік құбылыстар тау-кен жыныстарын желдету және топырақ түзілу, ылғалдың булану және қоюлану процестерін, сондай-ақ, тірі организмдерде өтетін көптеген процестерді түсіндіруге көмектеседі. Бірсыпыра технологиялық процестер (майлау, жұғу, т. б. ) беттік құбылыстарын пайдалануға негізделген.

Беттiк құбылыстарды сипаттайтын шамалардың бiрi - беттiк керiлу. Беттiк керiлу бөлу (жанасу) бетiнiң бiрлiгiнiң (мысалы, 1 см2) еркін беттiк энергиясының өлшемi. Егер осы артық энергияны жанасу бетiнiң ауданына (S см2) көбейтсек, онда берiлген гетерогендiк жүйенiң еркін беттiк энергиясын аламыз:

Теңдеуден еркін беттiк энергияның кемуi екi түрлi жолмен болатынын көруге болады, фазалардың жанасу беттерiнiң азаюының және беттiк керiлудiң азаюының нәтижесiнде болады екен. Таза заттардың табиғатына байланысты олардың беттiк керiлуi тұрақты бiр шама. Оларда беттiк энергияның кемуi тек ауданның азаюымен анықталады. Мысалы, кез-келген сұйықтың тамшысының пiшiнiн алып қарасақ, ол шар тәрiздi болады, өйткенi геометриялық пiшiндердiң iшiнде шардың ауданы ең азы.

Адсорбент пен адсорбтивтiң арасындағы әрекеттесудiң табиғатына байланысты адсорбция физикалық және химиялық болып екiге бөлiнедi. Бiрiншi жағдайда адсорбент пен адсорбтив арасында физикалық, не басқаша айтқанда ван-дер-ваальстiк күштер болады. Физикалық адсорбция әрқашанда қайтымды. Химиялық адсорбция кезiнде адсорбент пен адсорбтив арасындағы байланыс химиялық болады.

Г=f(с) немесе Г=f(р)

адсорбция изотермасының теңдеуі

Г=f(Т)

адсорбция изобарасының теңдеуі

Г=f(Т)

адсорбция изопикнасының теңдеуі

С=f(T)

адсорбция изостерасының теңдеуі

Адсорбцияның өзіне тән жалпы ерекшелігі бар:

1) адсорбцияның термодинамикалық қайтымдылығы, яғни адсорбция мен оған қарама-қарсы процесс - десорбция өзара динамикалық тепе-теңдікте болады: адсорбция↔десорбция;

2) процесстің экзотермиялығы, яғни адсорбция кезінде жылудың бөлінуі;

3) активтендіру энергиясынан аздығы, яғни энергетикалық тосқауылдың аласалығы; Ендеше адсорбция жылдамдығы көп (dГ/dt немесе dQ/dt шамалары өте көп) болады