Интенсивные свойства гетерогенных систем

Рассмотрим термодинамические свойства гетерогенной системы, состоящей из трех частей: фаз a, b и поверхностного слоя S. Эти свойства делятся на интенсивные и экстенсивные. Интенсивными свойствами называются такие свойства, которые выравниваются при составлении сложной системы из более простых систем. Интенсивные свойства - это такие физические характеристики, численные значения которых не зависят от количества вещества. К интенсивным свойствам относится давление , температура , химический потен­циал , удельная энергия или плотность энергии, , .

Условия равновесия гетерогенной системы с поверхност­ным слоем таковы же, что и системы, состоящей из объемных фаз. Эти условия выражаются уравнениями: , . Происходит выравнивание интенсивных ве­личин - температуры и химического потенциала. Выравнива­ние этих величин буквально означает их равенство во всех частях системы. Выравнивание остальных интенсивных тер­модинамических свойств приводит к появлению избытка свойств в поверхностном слое. Этот избыток может быть как положительным, так и отрицательным.

Рис. 2.4. Изменение плотности свободной энергии на межфазной границе лиофильной системы.

- расстояние от границы раздела фаз;

- толщина межфазного слоя.

В качестве примера изменения интенсивных свойств рас­смотрим изменение плотности свободной поверхностной энер­гии лиофобных и лиофильных систем перпендикулярно границе раздела фаз и .

В объеме каждой фазы значение постоянно и не зависит от расположения элемента объема, т.к. фаза характеризуется определенными и постоянными по объему физико-химиче­скими свойствами. , . В поверхностном слое растет вследствие несимметричного силового поля и сгущения свободной поверхностной энергии. Переход от энергетического уровня одной фазы к энерге­тическому другой фазы происходит через энергетический барьер, отвечающий избытку (сгущению) свободной энергии в поверхностном слое. Величина избытка свободной энергии равна площади заштрихованного «языка».

Рис. 2.5. Изменение плотности свобод­ной энергии на межфазной границе лио­фильной системы.

Когда , т.е. для лиофобных систем, для раз­нородных фаз при слабом их взаимодействии, избыток сво­бодной энергии велик, заштрихованная площадь велика, но толщина межфазного слоя мала, т.к. молекулярные силы убы­вают с расстоянием, взаимодействие между фазами отсутст­вует или оно мало. Для лиофобных систем толщина межфаз­ного слоя составляет всего (1-10)×10^-10 м. В лиофильных сис­темах фазы являются родственными, они сильно взаимодей­ствуют, . Значение межфазного поверхностного натяжения в лиофильных системах мало и составляет вели­чину .

Избыток свободной поверхностной энергии в таких систе­мах меньше, заштрихованная площадь меньше.

Вследствие сильного взаимодействия фаз, проникновения молекулярного взаимодействия глубоко в объем каждой фазы, толщина поверхностного слоя в лиофильных системах велика. Поверхностный слой более размыт, имеет большую протя­женность. По энергетическим параметрам он приближается к фазам.