Termodinamica de superficies

Termodinámica de superficies
Debido a la gran "cantidad de interface" con que cuentan los sistemas coloidales los fenómenos que ocurren en la interface son muy importantes para explicar el comportamiento general de los sistemas coloidales. En la ciencia de los coloides es tan importante el estudio de los fenómenos de superficie y/o interfaciales.
Naturaleza de la interface.
La existencia dela energía libre superficial puede explicarse por el carácter específico (no compensado) de las fuerzas moleculares (por el carácter no saturado de los enlaces) en la superficie de separación de las fases , debido a lo cual la formación de una nueva superficie requiere una inversión de trabajo para hacer salir cierta cantidad de moléculas desde el interior de las fases hacia su superficie, dondelas moléculas entre las moléculas se diferencian de las interacciones en el volumen de las fases. En las proximidades de la interface, a distancias del orden del tamaño de las moléculas, no puede conservarse la homogeneidad de la composición y de las propiedades características para cada fase; de acuerdo con las palabras de Gibbs, "incluso en el caso de que fuese así en lo que se refiere a lasdensidades de los componentes, en cuanto a la densidad de la energía, tal cosa, en general, no podría tener lugar puesto que el alcance de la acción molecular nos es infinitamente pequeño. Pero también sabemos, por observación, que una masa experimenta una influencia notable de una superficie próxima tan solo dentro de los límites de muy pequeñas distancias con respecto a la misma, lo que es elresultado natural del alcance ínfimo de la acción molecular notable...". En otras palabras, entre las fases existe una capa heterogénea más o menos fuertemente desarrollada en la cual se efectúa la transición de las propiedades características de una fase a las de la otra. Gibbs dio a esta capa de transición de propiedades heterogénea el nombre de superficie física de ruptura, o, simplementesuperficie de ruptura.
Los fenómenos de tensión superficial e interfacial se pueden explicar fácilmente en función de estas fuerzas. Las moléculas que están situadas en el seno de un líquido están sometidas a fuerzas de atracción en todas direcciones, mientras que las que están ubicadas por ejemplo, en la interface liquido-aire experimentan fuerzas atractivas no equilibradas con un empuje resultante haciael interior.

El promedio de la vida media de una molécula en la superficie de un líquido es alrededor de 10-6 s.
Se pueden analizar las particularidades del estado termodinámico de la metería en la interface examinando la variación de la densidad de la energía libre f a medida que se atraviesa la superficie de ruptura al pasar de una fase a otra.

Donde G esla entalpia libre del sistema; =µ es el potencial químico, y , es la concentración de la sustancia examinada. Por consiguiente:

Para fases que se encuentran en equilibrio y separadas por una superficie plana, los valores de µ y P son iguales.
Exceso superficial de energía libre
Se elige dentro de la superficie de ruptura una superficie geométrica convencional que lleva el nombre desuperficie divisoria.

Se destaca un prisma cuya generatriz (caras) es perpendicular a la superficie divisoria. Este prisma comprende el volumen V' en el lado del líquido y el volumen V'' en el lado del vapor, como en la figura. Se traza a la distancia -δ' un límite por debajo del cual la densidad de la energía libre es igual. Aproximadamente,a su valor en el seno del líquido: , y a la distancia + δ', otro limite por encima del cual es la densidad de la energía en el seno del vapor. La capa comprendida entre estos límites cuyo espesor es de δ' + δ'', representa la superficie física de ruptura, la energía libre F del sistema real examinado resulta superior a la energía libre F' + F''= f'V' + f''V'' del sistema ideal en que las...