Gibbs-Thomson-Effekt


Gibbs-Thomson-Effekt

Als Gibbs-Thomson-Effekt (nicht zu verwechseln mit dem Thomson-Effekt) bezeichnet man in der Physikalischen Chemie eine Konsequenz der so genannten Grenzflächenenergie $ \sigma $ (sigma). Diese führt dazu, dass kleine Flüssigkeitströpfchen (d.h. Teilchen mit starker Oberflächenkrümmung) einen höheren effektiven Dampfdruck aufweisen als eine ebene Phasengrenze (flüssig-gasförmig), da bei kleinen Tröpfchen die Grenzfläche im Vergleich zum Flüssigkeitsvolumen größer ist. Benannt ist der Effekt nach Josiah Willard Gibbs und William Thomson.

Eine Verallgemeinerung des Gibbs-Thomson-Effektes ermöglicht die Erklärung der Ostwald-Reifung, bei der in dispersen Systemen von kleinen Teilchen mittels Diffusion größere Teilchen wachsen und kleinere sich auflösen.

Die Gibbs-Thomson-Gleichung für ein Teilchen mit Radius $ R $ lautet :

$ \frac{p}{p_{\rm S\ddot{a}ttigung}} = \exp\!\left(\frac{R_{\rm kritisch}}{R}\right) $

$ R_{\rm kritisch} = \frac{2 \cdot \sigma \cdot V_{\rm Atom}^{\rm Tropfen}}{k_{\rm B} \cdot T} $

$ \sigma $: Oberflächenenergie des Tropfens.
$ V_{\rm Atom}^{\rm Tropfen} $: Volumen eines Atoms im Tropfen.
kB: Boltzmann-Konstante.
pSättigung: Sättigungsdruck der tröpfchenbildenden Substanz.
p: Partialdruck der tröpfchenbildenden Substanz.
T: Temperatur in Kelvin.

Wegen der Erhöhung des Innendruckes durch die gekrümmte Phasengrenze (siehe Young-Laplace-Gleichung), kommt es im Inneren kleiner Teilchen auch zu einer Erniedrigung der Schmelztemperatur. Bisweilen wird auch dies als Gibbs-Thomson-Effekt bezeichnet.