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Gibbs界面熱力學(xué)中的分割表面位置選擇


實(shí)驗(yàn)室k / 2018-11-09

       前面文章討論中已經(jīng)提及,Gibbs假設(shè)的分割表面雖然其法線方向已經(jīng)確定,但其實(shí)際位置卻還未確定。隨著分割表面位置不同,分割表面上各種表面密度均會(huì)隨之改變,亦就是說Gibbs的各種表面過剩量會(huì)隨之面變化,這使討論無法進(jìn)行,因此,如何選擇、確定Gibbs分割表面位置是Gibbs界面熱力學(xué)的重要討論內(nèi)容之一。

       在上一文章中已經(jīng)論及一種決定分割表面位置的方法,即,Gibbs提出,分割表面位置應(yīng)選擇在使討論體系各組元中,有一個(gè)選定的組元,一般選擇為溶劑,其表面密度為零的地方。例如Γ1=0,則這個(gè)分割表面就是討論體系分割表面。這樣分割表面有可能不一定與物理分界面吻合,也有可能與其偏離得較大些。
       Gibbs以此作為討論基礎(chǔ),進(jìn)行了一系列的表面熱力學(xué)的討論,由此,Gibbs認(rèn)為,討論中的一切數(shù)量,很顯然,均是相對(duì)于Γ1=0時(shí)的數(shù)量,Gibbs給以符號(hào)為:Γ21,Γ31,Γ41…。Gibbs據(jù)此作為討論基礎(chǔ),進(jìn)行了一系列表面熱力學(xué)的討論。
       采用這一方法選擇分割表面位置的研究者最多,詳細(xì)可見相關(guān)文獻(xiàn)。
       另一種方法亦是由Gibbs提出的以應(yīng)力表面來表示分割表面位置。已知

dUS=TdSS+∑μidmiS+σdA+C1dc1+C2dc2          [2-4-11]

       按照Русанов的描述,如果分界表面的厚度τ與分界表面的主曲率r有下列關(guān)系:

τ<<r1;τ<<r2          [2-4-18]

       則總可以找到一個(gè)分割表面的位置,在此位置上式[2-4-11]可寫成更簡(jiǎn)單的形式:

dUS=TdSS+∑μidmiS+σdA          [2-4-19]

       這個(gè)分割表面的位置被稱為Gibbs應(yīng)力表面。關(guān)于應(yīng)力表面概念,在Gibbs工作中有著重要的位置。
       Adasmon在其著作中認(rèn)為:式[2-4-11]關(guān)系中最后兩項(xiàng)可寫成為,

1/2(C1+C2)d(c1+c2)+1/2(C1-C2)d(c1-c2)          [2-4-20]

       此項(xiàng)再加上σdA項(xiàng)反映了面積變化和曲率變化的影響。為此對(duì)常數(shù)項(xiàng)C1和C2指定一個(gè)條件,要求C1+C2=0。這個(gè)特定條件使分界面有了特定位置,在此位置上的分割表面被稱作應(yīng)力表面。
       對(duì)于表面區(qū)厚度遠(yuǎn)低于界面主曲率半徑時(shí),d(c1-c2)=0。此式對(duì)于平表面和球表面是完全正確的,則從式[2-4-10]亦可得到式

dUS=TdSS+∑μidmiS+σdA          [2-4-19]

       因此,Gibbs引入應(yīng)力表面的理論是為了使彎曲表面的情況亦可以使用簡(jiǎn)單的,實(shí)際上是表示平面界面熱力學(xué)關(guān)系的式[2-4-19]來討論。
       式[2-4-19]表示:由此式可推導(dǎo)得到Gibbs等溫式,這在上面討論中已經(jīng)實(shí)行,這樣可以認(rèn)為,對(duì)彎曲界面,引入應(yīng)力表面概念后Gibbs等溫式亦可適用。
       此外,式[2-4-19]表示:此式與兩相間力學(xué)平衡條件有關(guān)。由式[2-4-8]和式[2-4-19]可知:

dU=dUA+dUB+dUS=TdS+∑μidmi-PAdVA-PBdVB+σdA

       平衡時(shí)dU=0;dS=0;dmi=0。故得:

-PAdVA-PBdVB+σdA=0          [2-4-21]

       但dV=0=dVA+dVB
       所以,

(PA-PB)dVA=σdA          [2-4-22]

       若分割表面沿垂直方向移動(dòng)dt距離,則:dA=(c1+c2)Adt
       同時(shí)有:dVA=Adt=-dVB
       得:(PA-PB)Adt=σ(c1+c2)Adt
       故:

△P=σ(c1+c2)          [2-4-23]

       此式即為著名的Laplace公式。
       Adamson提出了其他一些規(guī)定分割表面位置的方法:
       在上面討論中已得到,

dσ=-Γ1S12S2          [2-4-14b]

       在經(jīng)典熱力學(xué)理論中應(yīng)用Gibbs-Duhem公式可得:m11+m22=0
       合并二式,并予整理得:

-dσ=dμ22S-m2/m1·Γ1S)          [2-4-24]

       Adamson認(rèn)為式[2-4-24]中右邊方括號(hào)內(nèi)數(shù)值應(yīng)該與分割表面的位置選擇無關(guān)。要實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)的條件是:

ΓjSmiiSmj=常數(shù)          [2-4-25]

       式[2-4-25]是選擇分割表面位置的條件。
       除此外,Adamson的著作還介紹了一些其他選擇分割表面位置的方法。例如,目前較普遍采用的是溶劑Γ1=0的方法,這一方法中溶質(zhì)過剩被標(biāo)志以Γ21。
       由于可以以Γ21表示分割表面的一個(gè)位置。Adamson認(rèn)為顯然還可有一個(gè)對(duì)稱的Γ12,這可定義為:在表面區(qū)內(nèi)組元2的表面過剩為零時(shí)單位表面上組元1的表面過剩。
       Adamson著作中還介紹有ΓiN,上標(biāo)N的意思是指溶劑和溶質(zhì)總量對(duì)表面區(qū)的表面過剩量為零;ΓiM,帶上標(biāo)M的意思是指討論體系內(nèi)兩體相總質(zhì)量與討論體系總質(zhì)量相同時(shí)組元i的表面過剩量;還有ΓiV,其定義是在討論體系總體積無過剩時(shí)組元i的表面過剩量。
       如此林林總總,一來這說明分割表面的位置選擇確是Gibbs界面熱力學(xué)重要的討論內(nèi)容。但這些多的分割表面位置可供選擇,并且每種選擇所導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果彼此又互不相同,不能相互印證,這樣不能不使人思考,由于所謂“分割表面”是一種人為所定的概念,雖然Gibbs等溫式已被實(shí)驗(yàn)結(jié)果所驗(yàn)證,那么“分割表面”這一人為概念會(huì)不會(huì)對(duì)Gibbs等溫式的討論結(jié)果亦會(huì)產(chǎn)生一定的“人為”影響。


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