Природа поверхностной энергии

Дисперсные частицы и дисперсионная среда относятся к различным фазам. Система может существовать из разных, фаз только в том случае, если межмолекулярные взаимодействия в граничных фазах различны. Единственной системой, в которой межмолекулярные взаи­модействия отсутствуют, является идеальный газ. Интенсивность молекулярных взаимодействий возрастает при переходе от реальных газов к твердым телам.

Рис. 2.1. Схема возникновения поверхностной энергии

Рассмотрим систему, состоящую из жидкости (фаза 1) и газа (фаза 2). Силы межмолекулярного взаимодействия в жидкости F_1-1 больше сил взаимодействия между молекулами газа F_2-2 Возникает вопрос: какие межмолекулярные взаимодействия реализуются на межфазной поверхности? Молекула А (рис. 2.1) внутри жидкости окружена со всех сторон другими молекулами. Силы взаимодействия при этом взаимно уравновешиваются. На молекулу В, находящуюся на межфазной поверхности, с одной стороны действуют молекулы жидкости, а с другой – молекулы газа. Поскольку F_1-1 > F_2-2, возникает результирующая сила Р, направленная в глубь жидкости. Эту силу часто называют внутренним давлением.

P=F_1-1-F_2-2

Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление. Для жидкостей на границе с воздухом внутреннее давление очень велико, например, для воды Р = 14 800 атм. Внутреннее давление Р стремится втянуть молекулу в глубь фазы 1.

Чтобы образовать межфазную поверхность, необходимо перевести часть молекул из объема жидкости на поверхность. Для этого надо совершить работу против внутреннего давления, очевидно, чем оно больше, тем больше энергии требуется затратить. Эта энергия сосредоточивается в молекулах, находящихся на поверхности, и называется поверхностной энергией.