Надлишкова енергія поверхневого шару

Атоми, іони і молекули, які знаходяться всередині твердого тіла (рисунок 2.9) перебувають під дією рівномірного силового поля оточуючих їх частинок, причому рівнодійна цих сил прямує до нуля, а самі частинки займають положення, яке відповідає мінімуму їх потенціальної енергії. Ті ж частинки твердого тіла, які знаходяться на границі розділу з другою фазою, наприклад, вакуумом, газом або рідиною, де частинок не має взагалі або вони знаходяться в значна меншій концентрації, мають повністю або частково незкомпенсовані зв'язки, направлені в сторону цього середовища і перебувають під дією надлишкової сили з сторони твердого тіла, яка старається як би втягнути частинки поверхневого шару всередину більш щільного середовища.

Рисунок 2.9 - Атом в об’ємі твердого тіла і на його поверхні

Наявність незкомпенсованих молекулярних сил у частинок поверхневого шару свідчить про те, що вони володіють надлишковою енергією у порівнянні з аналогічними їм частинками, що знаходяться в об’ємі. Ця енергія називається надлишковою вільною енергією, а віднесена до одиниці поверхні - питомою поверхневою енергією. Завдяки цій енергії частинки, що знаходяться на поверхні розділу фаз, займають подібно рідині, менш вигідне енергетичне положення. Однак, на відміну від рідин, їх частинки закріплені у просторі і не можуть вільно переміщуватись.

У випадку рідини поверхнева енергія легко визначається через поверхневий натяг. Визначення поверхневої енергії твердих тіл пов’язане з великими труднощами. Тим часом ця характеристика має важливе значення для процесів тертя і зношування, оскільки характеризує активність атомів поверхневого шару.

У більшості металів кожний атом в об’ємі оточений дванадцятьма сусідам, а на поверхні - шістьма. Тому поверхнева енергія повинна приблизно дорівнює 1/6 енергії сублімації, тобто енергії, необхідної для поділу твердого тіла на незалежні атоми. Експериментальні дані підтверджують таке припущення. В таблиці 2.4 приведені значення поверхневої енергії деяких матеріалів.

Таблиця 2.4 - Поверхнева енергія деяких матеріалів

Поверхнева енергія характеризує здатність поверхонь до утворення адгезійних зв'язків. Під адгезією розуміють притягання між різнорідними приведеними в контакт твердими або рідкими тілами, що обумовлено силами молекулярної взаємодії. На відміну від адгезії притягання між атомами або молекулами усередині одного тіла називається когезією. Очевидно, що чим більше поверхнева енергія, тим міцніші адгезійні зв'язки і тим більший опір відносному переміщенню тіл, що контактують.