Поверхностные явления. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поверхностные явления - явления, связанные с существованием межфазных границ. В области контакта двух фаз под влиянием разности их молеку-лярно-силовых полей происходит образование поверхностного слоя, сопровождающееся адсорбцией, возникновением поверхностной энергии, поверхностного натяжения, поверхностного электрич. потенциала и др. специфич. поверхностных свойств, любое проявление к-рых относится к П. я. Толщина поверхностного слоя определяется радиусом действия поверхностных сил и радиусом молекулярных корреляций в каждой из фаз; вдалп от критич. точки она порядка неск. молекулярных радиусов и сильно возрастает (как и радиус корреляций) при приближении хотя бы одной из фаз к критич. состоянию.
Поверхностные слои неоднородны в масштабе молекулярных размеров и анизотропны независимо от агрегатного состояния фаз, отличаются от объёмных фаз физ. свойствами (плотностью, вязкостью, поляризуемостью и т. п.), молекулярным строением и хим. составом (в многокомпонентных системах). В поверхностных слоях наблюдаются специфич. хим. эффекты (смещение хим. равновесий, изменение констант скоростей хим. реакций), вплоть до изменения валентности (напр., для Sm, Сr). Особыми свойствами обладают и родственные поверхностным слоям малые (хотя бы в одном измерении) объекты - тонкие плёнки и нити, узкие щели и поры, капли, кристаллы и полости микроскопич. размеров. Изучение тонких плёнок и мономолекулярных слоев даёт сведения о природе межмолекулярного взаимодействия и строения молекул.
При наличии на поверхности двумерных фазовых переходов, а также при пересечении поверхностей образуются межфазные линии - одномерные аналоги межфазных поверхностей, с существованием к-рых связаны линейные явления. Неоднородная линейная область является одномерным аналогом поверхностного слоя и обладает линейным натяжением, линейной свободной энергией и т. д. Уд. линейные термо-динамич. потенциалы отличаются от поверхностных лишь тем, что относятся к единице длины (измеряются в Дж/м). Линейные явления существенны лишь для очень малых объектов (зародышей двумерных фаз, смачивающих мпирокапель и т. п.).
Закономерности П. я. описываются законом Лапласа и ур-нием Юнга (см. Смачивание ),а также обобщённым ур-нием адсорбции Гиббса:

где

- работа образования единицы поверхности путём разрезания (см. Поверхностное натяжение), - уд. поверхностная энтропия (см. Поверхностная энергия), - тензор поверхностных натяжений,

- единичный тензор,

- тензор деформации (символ ":" означает скалярное произведение тензоров),

- химические потенциалы молекул (или электрохим. потенциалы ионов), Г_i - их адсорбции, суммирование производится по всем компонентам, для к-рых возможно равновесие между объёмной фазой и поверхностным слоем. Для жидких поверхностей

- поверхностное натяжение, а деформац. член отсутствует. Ур-ние адсорбции Гиббса устанавливает связь между важнейшими П. я. - адсорбцией и поверхностной активностью (см. Поверхностно-активные вещества).
Существенное влияние оказывают П. я. на свойства макросистем. Это связано с увеличением поверхности в таких системах, её искривлением и взаимодействием разл. поверхностей друг с другом. Все три фактора характерны для ультрадисперсных (микрогетерогенных) систем. Искривление поверхности оказывает влияние на состояние объёмных фаз и порождает капиллярные явления .В гетерогенной системе только с искривлёнными поверхностями уже не действует Гиббса правило фаз в его классич. форме: в такой системе число степеней свободы на единицу меньше числа компонентов и не зависит от числа фаз (в реальных системах не существует ограничений на число дисперсных фаз). Эффект взаимодействия поверхностей выражается в перекрывании поверхностных слоев и приводит к появлению расклинивающего давления тонких плёнок, к-рое (при положит, его знаке) способствует устойчивости дисперсных систем (расклинивающее давление определяется как разность внеш. давления на плёнку и давления в объёмной фазе, составленной из компонентов плёнки при тех же, что и в плёнке, значениях температуры и хим. потенциалов).
Важную группу П. я. составляют электроповерхностные явления: поверхностная проводимость, поверхностный электрич. потенциал, электронная эмиссия и др. Все они связаны с образованием на межфазной границе двойного электрического слоя в результате эмиссии или специфич. адсорбции ионов, а также ориентации диполей в иоле поверхностных сил (в случае полярных жидкостей в этом процессе могут играть существенную роль диполь-квадрупольные взаимодействия).
К П. я. относятся когезия, адгезия, смачивание, смазочное и моющее действие, трение, пропитка пористых тел. П. я. влияют на прочность твёрдых тел (напр. адсорбционное понижение прочности - эффект Ребиндера). П. я. играют важную роль в фазовых процессах. На стадии зарождения фаз П. я. создают энергетич. барьер, определяющий кинетику процесса и возможность существования метастабильных состояний, а при контакте массивных фаз регулируют скорость тепло-и массообмена между ними. Проницаемость поверхностных слоев и плёнок, связанная с их молекулярным строением, обусловливает мембранные явления, особенно важные в биол. системах. П. я. влияют на коррозию, выветривание горных пород, почвообразование, атм. явления и др. естеств. процессы. На использовании П. я. основаны мн. технол. процессы - хим. синтез с применением гетерогенного катализа, поверхностное разделение веществ и флотация, механич. обработка и упрочение материалов, фильтрация, приготовление порошков, эмульсии, пен и аэрозолей и др. При этом широко применяются поверхностно-активные вещества, регулирующие поверхностное натяжение и свободную поверхностную энергию.

Литература по поверхностным явлениям

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.