Поверхностная энергия твердых тел
Строго говоря, поверхность кристаллических тел имеет свободную поверхностную энергию (скаляр) и поверхностное натяжение (тензор) в отличие от жидкостей, для которых поверхностное натяжение и энергия численно равны. Однако в большей части работ по изучению поверхностной энергии твердых металлов предполагается, что твердое вещество способно вести себя при длительных выдержках и температурах, близких к их температуре плавления так же, как жидкость. В этом случае поверхностная энергия и поверхностное натяжение отражают одно и то же понятие.
Измерение поверхностного натяжения твердых тел представляет большие трудности. Реальная поверхность твердого тела обычно сильно отличается от идеальной. Различные участки твердого тела обладают различным запасом поверхностной энергии. Строго говоря, каждая грань кристалла имеет свое значение поверхностного натяжения si, причем значения si для различных граней равновесного кристалла находятся в зависимости, определяемой теоремой Вульфа:
,
где:
l1 – так называемое вульфово расстояние для i-той грани кристалла.
Поэтому можно говорить лишь о некотором среднем значении поверхностного натяжения твердого тела, которое целесообразно определить следующим образом:
,
где:
Si – поверхность i-той грани;
S – поверхность твердого тела.
Величину, которая определяется этим уравнением, называют удельной свободной поверхностной энергией или поверхностным натяжением твердого тела.
В случае твердого тела почти всегда невозможно провести изотермически обратимый процесс образования новой поверхности, т. е. нельзя, раздробив какое-нибудь тело, получить его снова в виде сплошного куска обратимым образом.
Рис. 4.14. Схема измерения поверхностного натяжения твердых тел по методу Обреимова.
Наиболее близка к прямому измерению поверхностного натяжения твердых тел методика, предложенная И. В. Обреимовым для измерения sТ-Г слюды. Под частично отщепленный листочек слюды подводится валик или клин, как это показано на рис. 4.14. Момент сил, которые отщепляют и изгибают пластину слюды, уравновешивается ее упругим изгибом и работой, затраченной на создание двух новых поверхностей, пропорциональной свободной поверхностной энергии. Согласно М.А. Большаниной, в этом случае
,
где:
Е – модуль упругости;
х и у – координаты произвольной точки на изогнутой поверхности;
h – толщина отщепляемой пластинки.
Методом Обреимова проведено измерение поверхностной энергии пирографита, который расщепляется по плоскостям спайности подобно слюде. В этих опытах не обнаружено различий при проведении эксперимента в вакууме и на воздухе. Поверхностная энергия пирографита оказалась близкой к 1500 эрг/см2. Как и следовало ожидать, она сильно зависит от способа получения пирографита. Значения свободной поверхностной энергии некоторых твердых тел приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.5