Elmélet fzka kéma II Felületek termodnamkája http://www.ttk.undeb.hu/docume nts/tamop/mfk/ch05.html
Az előadások tartalma 1. A (határ)felületek fogalma, termodnamka sajátsága. A felület feszültség, Laplace-nyomás, görbült felületek. Alkalmazások, példák 2. Az adszorpcó termodnamkája. Adszorpcós zoterma levezetése. Az adszorpcó kvanttatív leírása. 3. A felületek szerkezete. A felület vzsgáló módszerek. Heterogén katalízs. Bológa határfelületek. 4. A nanotechnológa alapja. Nanorészecskék, nanoeszközök előállítása. A nanotechnológa jövője
A határfelületek jelentősége Valamnek a jelentősége, annak nagyságától és hatékonyságától függ: Hatás = extenzív x ntenzív Heterogén katalzátor: a felület adott és a tömbfázs s, csakhogy a tömbfázs ntenztástényezője zérus Nanorészecskék: az ntenztástényező adott, de a felület gen nagy s lehet, sőt az előbb s változhat
Néhány példa a határfelületekre Ételek, bológa rendszerek Autó katalzátorok, a nagy fajlagos felület fontos, hszen a tartózkodás dő gen kcs (ms) Tüdő-tenzd: foszfolpd-keverék Frankln kísérlet 1774 (egy teáskanál étolaj 2000 m 2 vízfelületet fedett be)
Frankln ckke
A megfelelő részlet!
Felületek, határfelületek (smétlés) Intenzív paraméterek változása a helykoordnáta függvényében Típusok: flud: G-L, L-L nem flud: G-S, L-S, S-S Oldott anyag
A határfelületek termodnamka stabltása (smétlés) A határfelületek stabltása: (a felület s beleszámít a rendszerbe (fázs törvény)) G = A + egyebek -ahol: a felület feszültség, A a felület -a felület feszültségnek poztívnak kell lenn stabls határfelület kalakulásához -mnél ksebb a felület feszültség annál kevésbé gátolt a nagyobb felület kalakulása -egyebek: ha a negatív volna akkor a felület növekedés lenne várható (középső ll. alsó ábra, azaz a felület addg nőne, míg az oldódás bekövetkezne.)
Kulcsfogalmak 1. A felület feszültség a legfontosabb fogalom 2. Nedvesítés ez a kapllárs jelenségekhez vezet 3. Adszorpcó A hajtóereje a felület energa csökkenése 4. Emulzók stablzálás gyakorlat és elmélet jelentőség 5. Kollodok 6. Bológa határfelületek
A felület feszültség: hétköznap jelenségek - A levegő víz határfelület feszültség nagyobb, mnt szál-levegő, vagy szál-víz (lyen példa a homokvár s). F x tangencáls catenod, helcod, a mnmum tavolság 4 város, A, B, C, D
A felületek mechankája: modellek 1 F dw S W F ds FS 2LS 2A G 2 L Fds 0 G A F Sűrűség, tf. pngvn reverzíbltás
Dupré- kísérlet L L L L S F 1 F 1 F 1 F 1 2009.02.11 3. előadás 12
Mechanka: szlárd-folyadék-gáz határfelületek F cos ' h GS LS GL rácseppentéskor ' F h 0 egyensúly felé Kényelmesség okán a szétterülés együttható S LS >0 teljes szétterülés : SLS GS LS GL cos GS LS GL Young-egyenlet knetka : a permszög lehet haladó vagy hátráló
Összefoglalás A felület feszültség a folyadék felszínén egységny vonaldarabon arra merőlegesen, a folyadék síkjában ható (összetartó) erő (nem a felület normálsában, sem annak ellenében!) A felület feszültség egységny, új, egykomponensű folyadékfelület kalakításához szükséges zoterm reverzíbls munkavégzés.
Termodnamka potencálfüggvények: entalpa (határfelület esetén) Az első főtétel: a határfelület két fázs között van, és. A munkavégzés összetevődk a térfogat munkából, az összetétel változásából és a határfelület méretének változásból: dw p dv p dv da dn du dq dw TdS p dv p dv da dn H U p V p V 1 dh Td S + V dp V dp da dn N N 1 N 1
Termodnamka potencálfüggvények: szabadentalpa G G( T, p, A, n, n,... n ) def.: G H TS U PV TS 1 2 k G G G G dg dt dp da dn T p A n p, n,,,,, 1 A T n A T p n T, p, A, n G G S T p p, n, A T, n, A G G A n T, p, n T, p, An, dg SdT Vdp da dn k j V N 1 0 (Állandó összetétel) RT ln c j A természet vszonylagos stabltása j
Termodnamka potencálfüggvények: kétfázsú rendszer szabadentalpája A határfelületre (, fázsok) a szabadentalpa: G H TS (a szokásos defnícó) dg SdT V dp V dp da dn G A T, p, p, n Ez a felület feszültség termodnamka defnícója N 1 ha anyagtranszport
Alapjelenségek: Laplace-nyomás Tétel: Ha egy flud határfelület görbülettel rendelkezk, akkor a két oldalon a nyomásnak különbözne kell. p p 1 0 2 r 1. Kísérletek (url) 2. A víz alatt egy buborékot csak úgy tudunk fújn, ha nagyobb a nyomás http://www.youtube.com/watch?v=kvrsahuvs3m Levezetések
A Laplace nyomás mechankája Gömbsüveg (általános eset) A nyomás a felület normálsában hat A felület feszültség a kerület mnden pontjában érntőlegesen: a z-komponensek egyenlősége. F P z F z 0 2 2 c c p p r 2 r / r 0 cos rc / r p p 2 r
A Laplace nyomás általános egyenlete p 1 1 2 p r r r 1 1 1 1 r 2 r r m m
A kapllárs emelkedés 2r ghr c 2 h gr c 2 c F z F mg z 0
Kapllárs erők A kapllárs emelkedés oka a felület feszültség 1. A víz addg mászk fel, hogy lehetséges legnagyobb felületet borítsa 2. Görbít a felületet, így felület alatt ksebb a nyomás (Laplace-nyomás) 3. A félgömb felett a nyomás P azaz a külső légnyomás 4. A kapllárs belsejében a sík felület szntjén vszont azonosnak kell lenn, kívül és belül Nem keverendő a GŐZNYOMÁSSAL!!!
Kapllárs emelkedés termodnamkája A kapllárs emelkedés oka, hogy az üveg-levegő felület feszültség nagyobb mnt az üveg-víz felület feszültség. sv dg dh sl 0 2 Epot mgheff r h g h W 2r h rev sv sl /2 G =E pot W rev dg/dh =0 h 2 sv sl 2lv cos gr gr cos sv sl lv Young egyenlet, s sold, v vapor, l lqud
Laplace-nyomás termodnamkája: buboréknyomás A dg/dr = 0 feltétel dg pdv da 2 p p q.. e d r dg 4r 4 ( r dr) ( P P )4r dr 8rdr P4r dr 2 2 2 2 1 0 Fel. vált. Térf. vált. Szappan buborék?, vzen?
Alkalmazások öntsztuló felület Θ>150 o, - szuperhdrofób felület Keszon, nfacol, csecsemő halál
A görbült felületek tenzója V 2 ln / L pr p RT r P vagy p nulla görbület vagy végtelen sugár
A görbült felületek tenzója 2 p p, egyensúlyban r 1 dp dp 2 d, d d d dfferencáljuk r mvel d dp T, n, A V, d V dp V d p derváltak! 2 d(1/ r) d / V - d / V d / V d RTd ln( p / p ) a kéma potencál defnícója r V VL 2 ln pr / p RT r V Perpetuum moble, öregedés, átkrstályosodás, kapllárs kondenzácó
A légzés és a felület feszültség Inflatng the Alveol Inflatng the alveol n the process of respraton requres an excess pressure nsde the alveol relatve to ther surroundngs. Ths s actually accomplshed by makng the pressure n the thoracc cavty negatve wth respect to atmospherc pressure. The amount of net pressure requred for nflaton s dctated by the surface tenson and rad of the tny balloon-lke alveol. Durng nhalaton the rad of the alveol ncrease from about 0.05 mm to 0.1 mm. The normal mucous tssue flud surroundng the alveol has a nomnal surface tenson of about 50 dynes/cm so the requred net outward pressure s: The remarkable property of the surfactant whch coats the alveol s that t reduces the surface tenson by a factor of about 15 so that the 1 mmhg pressure dfferental s suffcent to nflate the alveol.