Энергия поверхности, принцип Гиббса Кюри

Московский государственный университет приборостроения и информатики

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Энергия поверхности, принцип Гиббса Кюри.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент ВТ-9:

Марков М.Ю.

Преподаватель: Глезер А.М.

 

Оглавление

Введение2

Поверхностная энергия2

Методы определения поверхностной энергии твердых тел4

Заключение6

Список литературы7

 

Введение

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. 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

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.

 

 

 

Методы определения поверхностной энергии твердых тел

1. Метод «нулевой ползучести»

При высокой температуре под влиянием сил поверхностного натяжения произвольная форма твердого тела должна преобразовываться в направлении уменьшения суммарной поверхностной энергии. Так, в частности, свободно подвешенный образец из тонкой проволоки или фольги должен сокращаться по длине. С другой стороны, под влиянием извне приложенной силы (F) фольга (или нить) может удлиняться вследствие вязкого течения. Очевидно, при некотором значении величины F=F* силы поверхностного натяжения будут скомпенсированы и скорость ползучести обратится в нуль. Экспериментально определённая F* может явиться источником сведений о величине поверхностного натяжения.

2. Метод  разрушения (раскалывания) кристаллов

Работа, затраченная на разрушение кристалла, равна поверхностной энергии возникших при этом новых поверхностей, если разрушение было хрупким. Значения поверхностной энергии, полученные в таких опытах всегда недостоверны, так как некоторая часть затраченной работы выделяется в форме тепла при частичном деформировании кристаллов и идет на остающуюся в кристалле энергию пластической деформации. Наиболее надежный вариант метода был предложен в 1930г. И.В. Обреимовым. От кристалла по плоскости спайности отщепляется пластинка, которая под влиянием момента сил, действующего против сил поверхностного натяжения, частично изгибается. Эта пластинка может быть использована в качесвте динамометра, измеряющего отщепляющее усилие.

3. Метод  «нейтральной капли»

Величина σs может быть определена по данным о равновесной форме жидкой капли другого вещества, которая расположена на поверхности изучаемого твердого тела.

Метод "нейтральной капли" экспериментально был использован Мазанец и Каменской, определившими поверхностное натяжение железа в y-фазе. В качестве вещества жидкой "нейтральной капли" ими был выбран свинец, растворимость которого в железе практически равно нулю.

4. Метод  растворения порошка

В этом методе величина σs находится по данным калориметрического определения разности теплоты растворения диспесного порошка и массивного кристалла той же массы. При этом предполагается, что кристаллическая решетка в порошинках равновесна и экспериментально наблюдаемое различие теплот растворения обусловлено лишь выделением поверхностной свободной энергией порошинок.

5. Метод ступеней роста и испарения

Рост кристалла из газовой фазы и его испарения во многих случаях носят слоисто-спиральный характер; при этом скорость перемещения изолированной ступени при данном отклонении упругости пара от равновесной определяется кривизной ступени и поверхностной энергией на границе ступень - газовая фаза. Для определения величины σs удобно воспользоваться тем, что на поверхности роста часто наблюдаются заторможенные "покоящиеся" ступени, кривизна которых такова, что равновесная упругость пара вблизи поверхности ступени совпадает с упругостью пара в пространстве, окружающем кристалл.

6. Метод  конического образца

В этом методе определяется величина межфазного поверхостного натяжения(σsl) на границе жидкое - твердое, при температуре плавления. Определение величины σsl основано на том, что температура равновесия между твердой и жидкой фазами зависит от радиуса кривизны границы. В случае цилиндрической границы отклонение истинной температуры плавления от равновесной меняется по закону .

Весьма медленно нагревая конусный образец, заключенный между двумя плоскопараллельными пластинками из вещества, которое смачивается исследуемым веществом, можно экспериментально определить ширину конического зазора, где находится межфазная граница, которая с уменьшением ΔT перемещается в более широкую часть конуса.

7. Метод «залечивающейся царапины»

Известно, что при высокотемпературном отжиге кристалла в равновесных условиях, на поверхности которого нанесена царапина, последняя сглаживается; при этом для металлов, как правило, кинетика сглаживания определяется механизмом поверхностной диффузии.

8. Метод  коалесцинции пор

В пористом твердом теле при высокой температуре происходит процесс коалесценции пор, движущей силой которого является стремление к уменьшению свободной поверхности пор. Этот процесс осуществляется с помощью диффузионного механизма. Последовательная теория процесса диффузионной коалецениции была развита И. М. Лифшицем и В. Н. Слезовым. Ими было показано, что на далекой стадии процесса, когда установилось асимптотическое распределение пор по размерам, средний размер пор со временем меняется по закону .

Для определения σs необходимо экспериментально найти временную зависимость среднего размера пор в ансамбле пор, в котором происходит процесс коалесценции.

 

Принцип Гиббса-Кюри

Согласно принципу Гиббса-Кюри, термодинамически более устойчивой является та форма кристалла, которая обладает минимальной свободной поверхностной энергией, то есть

  при V=const.      

Здесь σk и Ak – поверхностное натяжение и площадь k-й грани кристалла. Поскольку для жидкостей в силу изотропности их свойств всегда σk=const во всех точках поверхности, то принцип Гиббса-Кюри требует минимизации площади поверхности: при V = const.

Таким образом, термодинамически устойчивая форма жидкости имеет минимальную поверхность. Поэтому любая жидкость в свободном состоянии имеет форму шара.

Кристаллические тела принимают в равновесии более сложную форму, поскольку кристаллографические грани имеют разную поверхностную энергию. В кристаллах при формировании поверхности важную роль играет её ориентация по отношению к силам связи между атомами по разным направлениям. Минимальная поверхностная энергия будет у тех поверхностей, на которых располагается наибольшее количество сильных связей и которые имеют минимальное число пересечений с ними.

Заключение

Процессы, происходящие на поверхности твердых тел, оказываются существенными во многих явлениях. Последовательное решение практически важных задач из области поведения твердых тел при высоких температурах с необходимостью приводит к обсуждению роли процессов, происходящих на поверхности твердых тел, и, таким образом, дальнейшие исследования этих процессов представляют значительный интерес.

 

Список литературы

1. Межфазовая граница газ-твердое тело, пер. с англ. под ред. Э. Флада, M., 1970
2. Миссол В., Поверхностная энергия раздела фаз в металлах, пер. с польск., M., 1978
3. Гегузин Я. Е., Овчаренко Н. Н., Поверхностная энергия и процессы на поверхности твердых тел., 1962

Г. Москва, 2014г.