Поверхностная энергия

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ, энергия, сосредоточенная на границе раздела фаз, избыточная по сравнению с энергией в объеме. При увеличении пов-сти раздела фаз уд. полная поверхностная энергия (на единицу пов-сти) e характеризует увеличение энергии системы. Она равна сумме мех. работы s образования единицы площади пов-сти и поглощаемой при этом теплоты q. B обратимом изотермич. процессе , где Т-абс. т-ра, — -уд. поверхностная энтропия (связанная энергия). Обычно, говоря о поверхностной энергии, имеют в виду уд. свободную поверхностную энергию s. С ростом т-ры вдали от критич. точки s линейно уменых ается, тогда как e практически от т-ры не зависит. При приближении к критич. точке различие в св-вах контактирующих фаз сглаживается и поверхностная энергия обращается в нуль (см. Критическое состояние). Термин "поверхностная энергия" применяют обычно для границы твердое тело-газ (пар); если граничащие фазы суть твердое тело и жидкость или две несмешивающиеся жидкости, пользуются термином "межфазная энергия". Уд. свободная поверхностная энергия на границе раздела жидкость-газ (пар) наз. поверхностным натяжением.

Поверхностная энергия связана с меж молекулярным взаимодействием, т.к. состояние частиц (атомов, молекул) на границе раздела фаз отличается от состояния в объеме фаз вследствие нескомпен-сированности силовых полей частиц на пов-сти раздела. Состояние пов-сти и поверхностные силы играют существ. роль в тех случаях, когда пов-сть сильно развита (напр., в высокодисперсных системах), при получении в-ва в виде тонких пленок, когда сфера действия приповерхностных сил соизмерима с толщиной пленок, в капиллярных явлениях. При образовании (увеличении) пов-сти раздела фаз затрачивается работа против нескомпенсированных сил межчастичного взаимод. на пов-сти. Поверхностная энергия s определяется как работа образования единицы площади пов-сти (размерность Дж/м²) или как сила, приложенная к контуру на пов-сти и препятствующая увеличению пов-сти; тогда ее размерность Н/м. Для жидкостей мол. природы и твердых тел поверхностная энергия s равна: сжиженные инертные газы-единицы мДж/м², орг. в-ва-десятки мДж/м², в-ва ионной природы - первые сотни мДж/м², металлы-от долей Дж/м² (легкоплавкие) до неск. Дж/м² (тугоплавкие).

Эксперим. измерение поверхностной энергии в твердых телах представляет собой трудную задачу из-за медленного (по сравнению с жидкостью) протекания релаксац. процессов и большой диссипации энергии при разрушении и образовании новой пов-сти, что обычно затрудняет проведение этого процесса как изотермического обратимого. Существует неск. методов измерения поверхностной энергии твердых тел, из к-рых наиб. достоверные результаты дает метод нулевой ползучести (Таммана-Удина), основанный на наличии у тела вязкой ползучести, т.е. способности при достаточно высокой т-ре медленно течь под действием приложенной силы. Графич. интерполяция величины этой силы к значению, при к-ром вязкая ползучесть уравновешивается поверхностным натяжением s, позволяет определить поверхностную энергию. Для упругих тел с хрупким разрушением поверхностную энергию можно определить лишь в случаях совершенной спайности, напр. при обратимом расщеплении листочка слюды, путем измерения работы образования пов-сти (метод Обреимова); последний применим также для определения межфазной энергии на границе твердое тело-жидкость.

Кристаллич. тела характеризуются анизотропией поверхностной энергии: наименьшей поверхностной энергией обладают грани с наиб. плотностью частиц; у граней с большими кристаллографич. индексами поверхностная энергия выше, чем у граней с малыми. Особенно велики различия в значениях поверхностной энергии разл. граней у слоистых кристаллов-графита, слюды. Межзеренная энергия линейно растет с увеличением угла разориентации сросшихся кристаллов до нек-рого предела, после к-рого она не зависит от угла разориентации. В областях хорошего совпадения узлов кристаллич. решеток контактирующих зерен наблюдается уменьшение межзерен-ной энергии. Для металлов отношение межзеренной энергии к поверхностной энергии достигает 0,3-0,4, для ионных кристаллов-0,5. Разработаны методы теоретич. расчета поверхностной энергии кристаллов с разным типом связи.

Поверхностная энергия в значит. степени определяет форму кристаллов, работу образования новой фазы, прочность твердых тел, поверхностные явления, капиллярные явления, устойчивость дисперсных систем и др.

Лит.: Межфазовая граница газ-твердое тело, пер. с англ. под ред. Э. Флада, M., 1970; Миссол В., Поверхностная энергия раздела фаз в металлах, пер. с польск., M., 1978. H. В. Перцов.