3-е авторское пояснение к "Ломоносову Бронзового века": о свободной энергии поверхности

Это железо в чём-то похоже на активированный уголь, очень большая поверхность внутри небольшого кусочка, может доходить до тысячи квадратных метров на миллилитр. И поверхностная энергия при этом никуда не девается, если я правильно помню, почти два джоуля на квадратный метр.

Получается, в кусочке с массой в один грамм может таиться до пятисот джоулей. Моих учеников цифры не особо впечатляли, но когда я им показывал, что у лучших литиевых аккумуляторов ёмкость всего вдвое выше, в глазах появлялось опасливое уважение. «А не бахнет?» - спрашивали они? Ну да, как горели и взрывались эти компактные носители энергии, все слышали.

А ведь может и бахнуть. Такое железо недаром называли пирофорным, «огненесущим» то есть. Вполне себе может и само загореться, и от удара.

И вот ведь беда – как как его ни проковывай, окончательно от самых мелких пор не избавишься, а значит и «лишняя энергия» остаётся. Отсюда и повышенная склонность к ржавлению.

Многие читатели просили пояснить, что это такое - свободная энергия поверхности и откуда она берётся?

Расскажу сначала, как она проявляется.  Про силу поверхностного натяжения все помнят?  Да, это именно она собирает воду в капли, поднимает её вверх по капиллярам, держит водомерку на поверхности и отвечает за такие красивые мыльные пузыри.  

Учёные даже ухитрились её измерить. Смачивали проволочку, цепляли динамометр (сиречь, "силоизмеритель") и измеряли.  Оказалось, что для воды она примерно равна 72 мН/м (точное значение зависит от чистоты воды, температуры и других факторов).

И вот тут-то и встал вопрос: сила есть, она способна совершать перемещение, то есть совершает работу.  Ну вот хоть воду по капиллярам поднимать.  А за счёт чего?  Формальный ответ нашёлся сразу: поверхность веществ обладает некоторой избыточной свободной энергией.   Тогда понятно и закон сохранения энергии не нарушался.

Но вот вопрос о природе этой свободной энергии ещё некоторое время оставался открытым.  Но нам повезло, теперь есть ответ и на него.  Давайте вспомним, что происходит при переходе молекул жидкости в газовую фазу. Это называется "испарением".  Правильно, при этом затрачивается работа. И наоборот, когда частицы возвращаются в жидкую фазу ("конденсируются").   Т.е. частица, вблизи  которой нет других (хотя бы на десяток размеров молекулы)  имеет больше энергии, чем та же частица "в тесном строю".

Но ведь частицы на поверхности "полусвязаны-полусвободны".  С одной стороны у них "тесный строй", а с другой - свобода, нет почти никого. Вот в этом и причина "свободной энергии". Они тоже сохраняют часть энергии "молекул пара".

PS Лайки и отклики подвигают автора на более частые пояснения.