О СВЯЗИ МЕЖФАЗНОЙ ЭНЕРГИИ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ТВЕРДОЕ ТЕЛО- РАСПЛАВ С ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ ОТДЕЛЬНЫХ ФАЗ

1

• Авторы
• Файлы

Дохов М.П. Статья в формате PDF 123 KB

Отсутствие прямых  экспериментальных методов измерения межфазной энергии на границе раздела твердое тело расплав σ_тр. вызывает необходимость проведения косвенных измерений. В частности, в эксперименте относительно легко измеряются поверхностная энергия расплава  σ_рп. и угол смачивания расплавом поверхности твердого тела θ. Затем, используя уравнение Юнга рассчитывают поверхностную энергию твердого тела σ_тп. и межфазную энергию на границе раздела твердое тело-расплав. К сожалению, попытки вывести соотношение, связывающее величину межфазной энергии на границе раздела твердое тело-расплав с поверхностной энергией гомогенных фаз, до настоящего времени не увенчались успехом. Не установлена также прямой связи между краевым углом и межфазной энергией на границе раздела твердая фаза-расплав. Поэтому в литературе  используются различные приближения. В частности, широко используется приближение Рэлея, связывающее  межфазную энергию σ_тр. с поверхностной энергией твердой σ_тп. и жидкой σ_рп. фаз    [1-4] и др.

.( 1)

В настоящей  работе, используя приближение Рэлея, развита термодинамическая теория, позволяющая произвести расчеты межфазных хаpaктеристик в конденсированных системах.

Суть приближения Рэлея состоит в предположении о том, что изменение свободной энергии адгезии ΔF^а_ij есть геометрическое среднее между изменениями свободной энергии гомогенных фаз

      (2)

где i  и j - относятся к отдельным фазам в частности, в случае контакта твердого тела и расплава, i означает твердое тело, а j - расплав (жидкость).

Над теоретическим обоснованием предположения Рэлея в последнее время работали многие авторы. В частности, в работах [1-4] и др. подробно рассмотрены возможные варианты его применения к расчету удельной свободной поверхностной энергии различных типов твердых тел.

  Анализ расчетных формул, выведенных в литературе с применением приближения Рэлея показывает, что численные результаты σ_тп и σ_тр, полученные с их помощью, не согласуются с экспериментальными данными.

Недостатком работ, в которых используется приближение Рэлея, по нашему мнению, является игнорирование изменения всех поверхностей при образовании границ раздела фаз.

В настоящей работе для устранения противоречий результатов теории  с экспериментом, при выводе формул для s_тп и s_тр, нами учтены последние замечания.

Как известно, при образовании новых поверхностей, изменение свободной энергии (численно равное работе образования новых поверхностей раздела фаз), равно

,      (3)

где  ΔF_i, ΔF_j - изменения свободных энергий при образовании гомогенных фаз, ΔF_ij- гетерогенной фазы, ΔF_ij^α -изменение свободной энергии адгезии i-ой и j-ой фаз. В связи с тем что теория образования гомогенных и гетерогенных фаз в настоящее время хорошо разработана и является общеизвестной, поэтому запишем без вывода, получающиеся формулы для работ образования критических зародышей соответствующих фаз

, ,                . (4)

Из формулы  (2), получим

.                      (5)

В формулах (4) и (5) Δμ - изменение химического потенциала одной частицы, отнесенный к единице объема соответствующей фазы.

Подставляя (4) и (5) в (3), после некоторых преобразований, получим формулу для расчета σ_тп.

              (6)

Подстановка формулы (6)  в уравнение Юнга для косинуса краевого угла, дает формулу для расчета межфазной энергии  между твердой и жидкой фазами σ_тр.

σ_тр = σ_рп (1 + cosθ  + cos²θ). (7)

Отметим, что формулы (6) и (7) позволят определить межфазные энергии σ_тп и σ_тр из данных экспериментально измеримых величин σ_рп  и θ - поверхностной энергии расплава и угла смачивания в системах, в которых отсутствуют химические реакции между твердым телом и расплавом (жидкостью).

Используя формулы (6) и (7) - составлена таблица относительных значений межфазных энергий в зависимости от краевого угла θ, что позволит исследователям быстро и с достаточной для пpaктики точностью, произвести расчеты σ_тп и σ_тр для различных типов твердых тел, находящихся в контакте с различными расплавами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Good R.J, Girifalco L.A A theory for estimation of surface and interfacial ener gies. Estimation of surface energies of solids  from contact angle data // j. phys. chem. 1960. V.64.P.561-565.
2. Zisman  W.A. Relation of the equilibrium contact angle to liquid and solid constitution// Adυan. Chem.Ser.1964.№43.p.1-51.
3. Rhee S.K. A method for determining surface energies of solids: temperature-variant contact angle method// Mater. Sci-and Eng. 1977.V.16,№1.Р 45-51.
4. Good J. Surface free Energy of solids and liquids: Thermodiynamic, molecular and structure// J. of colloid and interface Sci. 1977. V.59, №3. Р 398-419.

---