научная статья по теме ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ НАЛИЧИИ АДСОРБЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ С УЧЕТОМ ЕЕ КОНЕЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ Химия

Текст научной статьи на тему «ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ НАЛИЧИИ АДСОРБЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ С УЧЕТОМ ЕЕ КОНЕЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2014, том 50, № 4, с. 339-353

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ

УДК 541.13

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ НАЛИЧИИ АДСОРБЦИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА НА ЕГО ПОВЕРХНОСТИ С УЧЕТОМ ЕЕ КОНЕЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ © 2014 г. Э. М. Подгаецкий

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики Российской академии наук 119991, Москва, Ленинский просп., 32а e-mail: Podgaetsky@mail.ru Поступила в редакцию 30.12.2013 г.

Продолжено исследование термодинамической теории равновесной однокомпонентной адсорбции из жидкости на твердой поверхности, несущей электрический заряд, с учетом ее конечной деформации. В частном случае уравнения поверхностного слоя в рамках модели двух параллельных конденсаторов выводится уравнение изотермы адсорбции и поверхностное натяжение твердой фазы. Выведены уравнения связи параметров теории с емкостными кривыми, измеренными на деформированной металлической поверхности.

DOI: 10.7868/S0044185614040135

ВВЕДЕНИЕ

В [1—5] изложено термодинамическое описание равновесного однокомпонентного адсорбционного слоя на границе жидкости, содержащей адсорбирующийся компонент, с твердой поверхностью с учетом ее малой деформации и электрического заряда на ней. В [6] такое же описание дано для двухкомпонентного адсорбционного слоя на электронейтральной твердой поверхности. В [7] эта теория использована для термодинамического описания эффекта Ребиндера. В [8] получено обобщение теории на конечные деформации в частном случае функционального вида скорости увеличения поверхностной концентрации с ростом деформации поверхности, что привело к частному виду уравнения поверхностного слоя — частной модели двух параллельных конденсаторов. Ниже ставится обратная задача — для такой модели поверхностного слоя построить точное решение исходных уравнений при конечных деформациях и выразить количественно термодинамическое условие эффекта Ребиндера.

ТЕОРЕТИЧЕСКИИ АНАЛИЗ

Рассмотрим равновесный адсорбционный слой, образованный из однокомпонентного раствора в жидкости на твердой поверхности, несущей электрический заряд. Для термодинамического описания такой системы с учетом конечных деформаций поверхности воспользуемся уравнениями совместности, полученными в [8]

д q _dHc дГ2

dHc

дф

-—(Y sHc),

дгиз ^

д (Y вДе) = ,

дф дГдЗ

Hc = D-1 ^,

c c дг Dc = Г + (1 + 3) Y s,

v _gr(c, Ф, Э)

YS

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

с краевым условием на недеформированной поверхности при некотором значении электрического потенциала твердой фазы

Bc\ s=0 = А(Г), A = — > 0, Г > 0,

dr

A(0) = 0, A'(0) = const > 0,

(7)

(7a) (7b)

где д = , 5 — площадь межфазной поверхно-

сти жидкость/твердая фаза, — значение 5 до деформации, а безразмерные плотность поверхностного электрического заряда q, поверхностное натяжение твердого тела стг, удельная поверхност-

ная концентрация адсорбата Г, объемная его концентрация с, электрический потенциал твердой фазы ф связаны с соответствующими размерными их величинами д, стг, Г, с, (р линейными соотношениями [8]

c - Г ф

с* Г * ф*

(8)

а,

RT Г:

-, q

RT Г,

где R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, ф0 — произвольное выделенное значение ф, В = const > 0, ^(Г) — положительно определенная функция, задающая уравнение изотермы однокомпонентной адсорбции на недеформированной поверхности (& = 0) при ф = ф0; е^, Г.,., ф* — масштабные параметры для

соответствующих переменных, выбираемые произвольно в каждой модели поверхностного слоя.

Условие (7b) соответствует изотермам, имеющим участок Генри при малых Г, а условие (7a) обеспечивает однофазность адсорбционного слоя на недеформированной поверхности, т.е. единственность решения уравнения (7) относительно Г при заданном значении с.

Уравнение изотермы адсорбции при этом задается равенствами [1, 8]

с = e

(9)

w = + J|dФ + J(Hc)a=o dr - J(yH)Ф=Фо^,(10)

д 2q

дг2

= о.

(11)

Из (1)—(3) и (9), (10) следует, что эти уравнения относительно функций у3, Нс инвариантны при

переходе от их аналогов при & ^ 1 [3] к конечным значениям & с учетом обозначения (5) и поэтому уравнение изотермы (9), (10) также инвариантно при таком переходе при условии, что уравнение поверхностного слоя — функция д(Г, ф, — в обоих случаях одинакова. Ограничивая величину малых & условием

S ^ 1

(12)

будем полагать функцию q представимой степенным рядом по &

q = qo + #1$ + #2-9 + ...,

(13)

где функции q0,q1,q2,..., с учетом (11), линейные по Г

qo = Z о + Zir,

qi = % о + ^r, q2 = ^ о + ^ 1Г,

(14)

а г0,z1,2,о, зависят только от одного па-

раметра ф.

Также выразим степенными рядами по & функции у 3, Нс

Нс = Н0 + Н1д + Н2$2 + ..., (15)

У 3 = Y о + У1^ + у 2-Э2 + .... (16)

Используя полученное в [5] при малых & (12) решение аналогичных уравнений совместности в линейном по & приближении, получим

дГ

где w 0 = - ln с|и с учетом (9), (10) и (7)

Г=Го

w0 = ln B - ln ДГ0). (10a)

Дифференциальные уравнения (1)—(3) — уравнения совместности — необходимо дополнить уравнением поверхностного слоя, т.е. уравнением связи функции q с Г, ф, д. Тогда они становятся нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных относительно функций у3, Ис. Их решение позволяет получить уравнение изотермы в аналитическом виде (9), (10). Отличие уравнений совместности для конечных д (1)—(3) от их аналогов при малых д [3] состоит только в выражении функции Dc (5).

Далее будем рассматривать модель двух параллельных конденсаторов [9]

hо=/оA-1 dAА,

dr A H = -(%/)',

Ф

Y о = «о - /о-1 JdФ,

(17)

(18)

(19)

Фо

Y1 = «1 - 2/-1 Jdф - /оЛио/о)' JдГ , (20)

дГ

дГ

фо

фо

где (Ыо/оУ =

_ d«/)

dr

, а ыо =у J , и, = у! — неиз-

вестные функции одной переменной Г и являются аналогом констант интегрирования при решении обыкновенных дифференциальных уравнений.

Используя равенства (15), (16) и (7) можно проверить, что из (9), (10) и (11) при малых & (12) придем точно к такому же уравнению изотермы, как и полученное в [5]

Be exp | J|r dф + 3

1фо

f — dф + и,

Jör

A

.фо

= А(Г). (21)

и

Из (28)и (29) находим

1. Решение уравнений совместности (1)—(3) относительно функции аг при малых &

Введем теперь представление функции стг степенным рядом

2

а г = а 0 + а^ + а 23 +... (22)

и выведенное в [8] для конечных 3 равенство

Фо = цо - |(го + %о¥ф,

Фо

& = Б-1

дг с

>(^ + У з %

(23)

(23а)

^ + д + (1 + 3) + У з ,5Ф Ш дГ.

или с учетом (5) в упрощенной форме

^ = Гд1 - д - (1 + 3)^. 5ф 5Г

В Приложении I из уравнений совместности (1)— (3) при условии (12) и с учетом равенств (4), (5) выводятся функции а о, ст1

а о = Ф о - Г | ^ф + |/о(Г + ы0)йГ, (24)

Фо о

ф

= Ф1 - Г |(^ +

фо

Г

\[/о(«о + «1) - (Г + Ио)(Ио/оЖГ,

Ф1 = Ц1 - 21(£о оМф,

(30)

(31)

фо

где ц0, ц1 — константы.

Подставляя выражения Ф0 и Ф1 из (30) и (31) в (24), (25), получим

СТ о =

Цо - \(го + %о¥ф - г \^Ф + |/о(Г + Ыо)йГ, (32)

фо

фо

И - 21(2о + ^о¥ф - Г |(2,1 +

фо

фо

(33)

(25)

+ |[/о(«о + «1) - (Г + Ио)(«о/оЖГ.

+

где Фо, Ф1 — неизвестные функции одного аргумента ф.

Равенство (23а) позволяет выразить функции Фо, Ф1 через электроповерхностные функции (14).

Выражение величины а0 (32) совпадает с ст0, полученным в [8] с учетом (12) из соответствующих уравнений совместности, а в формуле для а1 (33) появляется различие, вызванное дополнительным слагаемым в формуле для Бс (5). Таким образом система уравнений для определения функции

Подставляя для этого разложение функции q (13) а при конечных 3, получаемая из (1)-(6), Уже не в (23а) с учетом (14) имеем с линейной по 3 точ-

ностью 5а

= Г(г1 + ^3) - г о - ^Г- + ^Г)3-

- (1 + 3) £о + ^Г + 2(Х о + ^1Г)3] + ... (26) = -го - - ^Г - 3[2(^о + Xо) + Г(^1 + ад. Дифференцируя (24) и (25) по ф, найдем производную в линейном по 3 приближении 5ф

является инвариантной. Используя в (33) в интеграле ЛГ (Г + ио)(ио /о)'^Г формулу интегрирования

по частям, для величины Да = аг - аг|г=о из (32), (33) в линейном по 3 приближении найдем

ф г

Да = -Г Л^ф - ^ (Г + ыо)йГ +

фо

+ 3

^ = Ф о -^1Г + 3[Ф1 - Г(2,1 + ад. 5ф

Л & + 2Х1)й ф + (Г + «о) («о А) -

(34)

(27)

Фо

Приравнивая (26) и (27), имеем два обыкновенных дифференциальных уравнения

Фо = -го - £о,

Ф1 = -2(^о о).

(28) (29)

Л [ыо(1 + «о) + (ыо + ы1)]А .

Исходя из (34) можно выписать аналогично [7] термодинамические условия для "положительного" (Да < 0)

о

о

о

о

Да = -Г |^ф - (Г + ыо)йГ +

фо 0

+ -Г |(^ + ф + (Г + Ыо)(ыо —) ■

I фо

г ' 1 - |[ыо(1 + ы'0) + (ыо + ы1)]—йГ 1 < о

При использовании линейных аппроксимаций функций ыо(Г) и ы1(Г), предложенных в [5]

ыо = роГ, ы1 = ^оГ (37а)

из (37) и (37а) получим двухпараметрическое (35) условие смены знака эффекта Ребиндера при переходе от растягивающих деформаций (& > 0) к сжимающим (& < 0)

т Г

о

и "отрицательного" (Да > 0)

ф г

|Ф- (1 + ро) |Г—йГ +

то т

Да = -Г | Ъй ф - - (Г + ыо)й Г

+ Ы-Г |& + 2Хх)йф + (1 + ро)ро

.2 А

фо

то

+ д

+ 2^)йф + (Г + ыо) (ыо —) - (36) - [Ро(1 + Ро) + Ро + *о]|г—йГ|< о, » = > о,

фо

(38)

|[ыо(1 + ыо) + (ыо + ы1)]—-йГ^ > о

-Г |(1 + ро) |г—йГ

+

Фо

Э

| (^ + Ф + (1 + Ро)Ро

Г2 — -д

фо

эффектов Ребиндера.

Для недеформированной поверхности значение Дст|3=о, согласно (34), совпадет с таким же, полученным в [7]. При & Ф о, как отмечено выше, ве- 1 — I личина Да в (34) имеет отличие. Поэтому условие - [ро(1 + Ро) + Ро + ,уо] IГ—йГ> > о, Э = Э_ < о. исчезновения "положительного" эффекта Ре- о — I биндера при переходе от деформаций растяжения

Ф > 0) к деформациям сжатия (3 < 0) при неиз- Условие облегче™я деформации твердого менном значении объемной концентрации с [10] тела по Ребиндеру [11], характеризуемое, как и в следует сформулировать с учетом скорректиро- [7], пороговым значением аг\г=о , с учетом (34) ванного выражения (34)

Э=Эо

теперь примет вид неравенства

-Г | ф - (Г + ыо)йГ +

фо о

+ -Г I& + ф + (Г + ыо)(ыо —-) -

I фо

|[ыо(1 + ыо) + (ыо + ы1)]—йГ I < о, 3 = -9+ > о,

о ]

ф г

-Г |^йф - (Г + ыо)йГ +

г (Г, ф, д) -ст, (о, ф, до) = -Г I ^Ф"

Фо

I(Г + ыо)—йГ + (д-до) х

(37)

- 2 |(2

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком