главная > справочник > химическая энциклопедия:

Поверхностная энергия

Notice: Undefined variable: iko in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 95

Notice: Undefined variable: goo in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 109

Notice: Undefined variable: mn in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 109

Поверхностная энергия, энергия, сосредоточенная на границе раздела фаз, избыточная по сравнению с энергией в объеме. При увеличении поверхности раздела фаз удельная полная поверхностная энергия (на единицу поверхности) e характеризует увеличение энергии системы. Она равна сумме механической работы s образования единицы площади поверхности и поглощаемой при этом теплоты q. B обратимом изотермическом процессе , где Т-абсолютная температура, — -удельная поверхностная энтропия (связанная энергия). Обычно, говоря о поверхностная энергия, имеют в виду удельную свободную поверхностная энергия s. С ростом температуры вдали от критической точки s линейно уменьшается, тогда как e практически от температуры не зависит. При приближении к критической точке различие в свойствах 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". Удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела жидкость-газ (пар) называется поверхностным натяжением.

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

Экспериментальное измерение поверхностной энергии в твердых телах представляет собой трудную задачу из-за медленного (по сравнению с жидкостью) протекания релаксационных процессов и большой диссипации энергии при разрушении и образовании новой поверхности, что обычно затрудняет проведение этого процесса как изотермического обратимого. Существует несколько методов измерения поверхностная энергия твердых тел, из которых наиболее достоверные результаты дает метод нулевой ползучести (Таммана-Удина), основанный на наличии у тела вязкой ползучести, то есть способности при достаточно высокой температуре медленно течь под действием приложенной силы. Графическая интерполяция величины этой силы к значению, при котором 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, например при обратимом расщеплении листочка слюды. путем измерения работы образования поверхности (метод Обреимова); последний применим также для определения межфазной энергии на границе твердое тело-жидкость.

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

поверхностная энергия в значительной 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.