Поверхностная энергия

Поверхностная энергия, также свободная поверхностная энергия, поверхностная энергия Гиббса — термодинамическая функция, характеризующая энергию межмолекулярного взаимодействия частиц на поверхности раздела фаз с частицами каждой из контактирующих фаз. Другое определение поверхностной энергии — это потенциальная энергия, которая сосредоточена на межфазной поверхности (границе раздела фаз), необходимая для образования единицы площади поверхности. Является избыточной по сравнению с энергией в объёме, то есть не равной нулю. Единица измерения в системе СИ — Дж/м².

Существование свободной поверхностной энергии вместе с поверхностным натяжением является причиной возникновения метастабильных состояний (состояний переохлаждения, пересыщения).

Физическое описание

Поверхностная энергия прямо пропорциональна удельной энергии межфазного взаимодействия или поверхностному натяжению σ и удельной площади поверхности раздела фаз S:

[math]\displaystyle{ {G_s = \sigma S} }[/math].

При бесконечно малом изменении:

[math]\displaystyle{ {dG_s = \sigma dS} }[/math]

Свободная поверхностная энергия G_s при постоянном давлении совпадает с термодинамической функцией — энергией Гиббса, характеризующей состояние поверхности раздела фаз в гетерогенных системах.

Вследствие зависимости величины G_s от поверхностного натяжения и удельной площади поверхности раздела фаз, все поверхностные явления происходят самопроизвольно, если при этом соблюдается одно из условий:

[math]\displaystyle{ {\sigma \lt 0} }[/math],

либо

[math]\displaystyle{ {S \lt 0} }[/math],

либо

[math]\displaystyle{ {\Delta G_s = \Delta \sigma \Delta S \lt 0} }[/math].

То есть в соответствии со вторым началом термодинамики — все самопроизвольные процессы происходят с уменьшением энергии системы. В данном случае с уменьшением энергии G_s.

К самопроизвольным процессам, происходящим с уменьшением величины G_s за счёт уменьшения площади поверхности фазы относятся:

• коалесценция — процесс слияния частиц (укрупнения) капель или пузырей внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности какого-либо тела.
• коагуляция и флокуляция — процессы слипания и укрупнения частиц дисперсной фазы.

К самопроизвольным процессам, идущих с уменьшением величины G_s за счёт уменьшения значения поверхностного натяжения σ относятся: смачивание, адгезия, сорбционные процессы и т.д.