Поверхностная энергия — это избыточная энергия, сосредоточенная в поверхностном слое вещества, по сравнению с энергией внутри объёма. Эта энергия обусловлена тем, что молекулы, расположенные на границе раздела фаз (например, жидкость–газ или жидкость–твердое тело), испытывают асимметричное взаимодействие с соседями: с одной стороны находятся молекулы среды, а с другой — другая фаза или вакуум.
Внутри объёма каждая молекула окружена равномерно распределёнными соседями и находится в состоянии минимальной потенциальной энергии. На поверхности же молекулы испытывают силы притяжения только со стороны своего объёма, что приводит к повышенной потенциальной энергии по сравнению с молекулами в глубине.
Таким образом, поверхностная энергия — это энергия, необходимая для создания единицы площади поверхности, которая характеризует энергозатраты на поддержание и увеличение площади границы раздела фаз.
Поверхностное натяжение — это физическая величина, равная работе, которую необходимо совершить для увеличения поверхности жидкости на единицу площади при постоянной температуре и давлении. Она выражается как сила, действующая вдоль единицы длины на границе поверхности жидкости.
Обозначение и единицы измерения:
Физический смысл поверхностного натяжения заключается в стремлении системы минимизировать площадь своей поверхности, что выражается в силовом натяжении поверхностного слоя жидкости. Это приводит, например, к формированию капель сферической формы, так как сфера имеет минимальную площадь поверхности при заданном объёме.
Молекулярные силы, ответственные за поверхностное натяжение, включают:
В жидкости молекулы взаимодействуют с окружающими благодаря межмолекулярным силам притяжения и отталкивания. Молекулы на поверхности испытывают несимметричные силы, что приводит к «сжатию» поверхности, которая проявляется как поверхностное натяжение.
Для описания механики поверхности часто используют модель упругой пленки, натянутой с силой, равной поверхностному натяжению. Поверхность ведёт себя как двумерная упругая мембрана с энергией, пропорциональной площади.
Это объясняет многие явления:
Важнейшая связь поверхностного натяжения с механикой жидкости выражается в законе Лапласа, который связывает разность давлений по обе стороны криволинейной поверхности с поверхностным натяжением и кривизной поверхности:
$$ \Delta P = P_{\text{внутри}} - P_{\text{снаружи}} = \sigma \left(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\right) $$
где
Для сферической капли R1 = R2 = R, тогда
$$ \Delta P = \frac{2\sigma}{R} $$
Эта формула объясняет повышенное давление внутри капли с малым радиусом, что имеет значение в явлениях капиллярности и эмульсий.
Существуют различные методы измерения поверхностного натяжения:
Каждый метод имеет свои особенности и применяется в зависимости от свойств жидкости и условий эксперимента.
Поверхностное натяжение, как и многие физические параметры, зависит от температуры:
Это связано с уменьшением плотности и изменением структуры молекулярного взаимодействия на поверхности.
Часто для температуры T используют приближенное эмпирическое выражение:
$$ \sigma(T) = \sigma_0 \left(1 - \frac{T}{T_c}\right)^n $$
где
При наличии нескольких фаз поверхностная энергия зависит не только от самой жидкости, но и от свойств контактирующих фаз. Рассмотрим три основные интерфейса:
На пересечении этих трёх фаз образуется линия контакта, которая описывается уравнением Юнга:
σSG = σSL + σLGcos θ
где θ — угол смачивания, который характеризует степень смачивания жидкости на поверхности твердого тела.
Угол контакта — ключевой параметр, который определяет, будет ли жидкость растекаться по поверхности твердого тела (мокрое состояние) или формировать капли (немокрое состояние).
Угол контакта зависит от баланса поверхностных энергий трёх фаз и влияет на процессы адгезии, капиллярного подъёма, образования пленок и т.д.
Тонкие пленки — слои жидкости или твердого материала толщиной от нескольких молекул до сотен нанометров. В таких системах влияние поверхностной энергии становится доминирующим по сравнению с объемными свойствами.
Ключевые эффекты:
В процессе осаждения тонких плёнок (например, методом испарения или осаждения из раствора) поверхностная энергия влияет на:
Различают три типа роста пленок:
Баланс поверхностных энергий фаз определяет режим роста.
Адгезия — процесс сцепления двух материалов на границе раздела. Поверхностная энергия влияет на силу адгезии, так как при контакте происходит изменение поверхности и перераспределение энергии.
Связь между адгезией и поверхностным натяжением описывается уравнением:
Wadh = σ1 + σ2 − σ12
где
Хорошее смачивание связано с высокой адгезией.
В наномасштабе удельная поверхность системы увеличивается, поэтому поверхностная энергия оказывает существенное влияние на физические свойства:
Например, в наночастицах и тонких плёнках изменение поверхностной энергии может изменять температуру плавления, фазовые переходы, реакционную способность.
Современные технологии позволяют изменять поверхностную энергию с помощью:
Это важно для создания гидрофобных, гидрофильных, антикоррозионных и биосовместимых покрытий.
Поверхностная энергия Es связана с площадью поверхности A и поверхностным натяжением σ:
Es = σ ⋅ A
Изменение поверхностной энергии при изменении площади поверхности:
dEs = σ dA
Если поверхность неоднородна, то σ = σ(x, y), и расчёты становятся более сложными, учитывая локальные вариации.
В тонких пленках и капиллярных системах важно учитывать соотношение сил:
Коэффициент, характеризующий отношение сил, — число Бонд:
$$ Bo = \frac{\Delta \rho g L^2}{\sigma} $$
где
При малых Bo доминируют поверхностные силы, при больших — объемные.
Такое подробное рассмотрение поверхностной энергии и поверхностного натяжения важно для понимания фундаментальных и прикладных аспектов физики поверхности и тонких пленок, влияющих на широкий спектр научных и технических дисциплин.