INTERFACES

Énergies superficielles et interfaciales

Définition thermodynamique

La définition thermodynamique de l'interface a été souvent sujette à controverses. J. W. Gibbs l'a considérée comme une surface de division sans épaisseur, une surface mathématique, alors que J. D. Van der Walls et H. Bakker lui ont attribué une épaisseur faible mais finie. E. A. Guggenheim a introduit le concept de « phase superficielle », traitant l'interface comme une phase plane séparant deux phases homogènes. Considérons par exemple deux phases, un liquide et un gaz, et mettons-les en contact. On peut décrire le système comme étant la somme de trois régions : un liquide homogène, un gaz homogène, et une phase superficielle. Dans le concept de Guggenheim, on affecte aux phases superficielles les mêmes grandeurs extensives qu'aux phases volumiques mais avec un terme supplémentaire γdA, où γ est la tension superficielle de l'interface et A l'aire de la surface de contact des deux phases en présence. Pour augmenter l'aire de la surface de contact d'une quantité dA, il faut fournir un travail :

appelé énergie superficielle.

La tension superficielle γ correspond à une force qui s'exerce sur l'unité de longueur d'une ligne imaginaire découpant une surface, pour maintenir en contact les deux parties de la coupure. Cette force est tangente à la surface et perpendiculaire à la coupure. Elle s'exprime en newton par mètre alors que l'énergie superficielle s'exprime en joule par mètre carré. Tension et énergie superficielles ont donc les mêmes équations aux dimensions et sont souvent confondues. En fait, l'assimilation faite entre ces deux termes n'est pleinement justifiée que dans le cas des liquides en équilibre avec leur vapeur.

Physiquement, l'énergie superficielle a pour origine les forces exercées sur un atome par ses voisins. La résultante des forces d'attraction et de répulsion exercées entre deux atomes passe par un maximum pour une distance d entre ces atomes correspondant également au minimum d'énergie d'interaction et donc à l'équilibre. L'énergie qu'il faut fo [...]

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