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表面エネルギーの熱力学 - TOKYO TECH OCW

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表面エネルギーの熱力学
体積V、表面積sの液体を考える。この液体の初期の内部エネルギー:Ui
この液体が表面を増加させる仕事wを等温的に行った場合の内部エネルギー変化
∆U=Uf−Ui
Uf:最終的な内部エネルギー
仕事とそれにより生じた内部エネルギー変化の差がその過程で吸収された熱量q
q=∆U-w ∴dU=dq+dw
圧力Pの定圧状況では dw= -PdV+γds
∴dU= dq+(-PdV+γds)
dqはエントロピーSの定義からTdSに等しい
dU=TdS-PdV+γds
ギブスの自由エネルギー G=H-TS ∴dG=dH-TdS-SdT
dH=dU+PdVであるから dH=TdS-PdV+γds+PdV=TdS+ γds
これを上のdGの式に代入するとdT=0であるから
dG= TdS+ γds-TdS-SdT= γds ∴γ = dG/ds
表面張力γは単位面積あたりのギブスの自由エネルギーと等価である。
よって∆G= γ ∆A
いろいろな物質の表面エネルギー
物質
H 2O
Al2O3(s)
有機溶媒
表面エネルギー値(mJ/m2) 温度(ºC)
72.8
25
900
25
20-30
20
フルオロカーボン
6-15
20
水銀
470
20
ガラス
200-400
20
金属
500-1800
20
同じ物質でも結晶面で表面エネルギーが異なる⇒結晶自形
ギブスの自由エネルギーの一般式ではS=-dG/dTであるから単位表面に限っては
S=-dγ/dTとなる。このことは表面張力の温度変化はエントロピーに等しいことを
示している。液体の表面張力は温度の上昇とともに減少する(臨界温度でゼロになる)
粉の表面電荷
MOH ⇒ MO- + H2O 塩基性中
⇒ MOH2+
酸性中
等電点(IEP: Isoelectric Point)、
電荷ゼロ点(PZC:Point Zero Charge)
Mn+ + xOH- ⇒ M(OH)x(n-x)+
M(OH)x(n-x)+ +OH- ⇒ M(OH)x+1(n-x-1)+
M(OH)x(n-x)+ + H+ ⇒ M(OH)x-1(n-x+1)+ +H2O
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