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RÉSUMÉ
Suivant l’échelle retenue, nanométrique, microscopique ou macroscopique, la caractérisation des surfaces sera différente. Elle reste malgré tout définie comme une interface, partie externe d’un solide avec par exemple un gaz, un milieu aqueux, une phase condensée ou un lubrifiant. Cet article est consacré aux différentes approches permettant d’aborder ma notion de surface : cristallographique, physique, thermodynamique. Est également traitée le cas des surfaces industrielles et leur caractérisation pratique.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Gérard BÉRANGER : Professeur à l’Université de Technologie de Compiègne (UTC) - Membre de l’Académie des Technologies
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Henri MAZILLE : Professeur Émérite à l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA)
INTRODUCTION
Il existe différentes façons d’appréhender les surfaces, par exemple en termes d’échelle ou de propreté. Mais on peut aussi distinguer les surfaces modèles des surfaces industrielles, donc réelles. Les caractéristiques correspondantes ne seront pas nécessairement les mêmes. Si le physicien du solide va s’intéresser à la structure électronique des atomes de surface et observer celle-ci à l’échelle nanométrique, l’ingénieur et le technicien vont regarder la surface comme une empreinte de l’outil qui a permis de l’obtenir ou de la conditionner. L’échelle de l’observation ne sera pas la même : de nanométrique voire microscopique dans le premier cas, elle sera méso- et le plus souvent macroscopique dans le second [9] [10].
Quelle que soit la discipline, la surface est communément définie comme la partie ou la limite externe d’un solide. Compte tenu du fait que tout matériau est généralement utilisé dans un environnement donné (air, gaz, milieu aqueux, phase condensée, lubrifiant, etc.), la surface doit être considérée comme une interface : solide – gaz, solide – liquide, voire solide – solide. Dans ce contexte, compte tenu des profils de composition ou de caractéristiques dans la zone voisine de la surface, on introduit même la notion d’interphase, ce qui permet d’introduire celle de propriétés adaptatives (gradient d’indices de réfraction par exemple).
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1983 par Jacques GALLAND
DOI (Digital Object Identifier)
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Surfaces industrielles et leur caractérisation pratique3. Approche thermodynamique et énergétique d’une surface
3.1 Énergie de surface et tension superficielle
À plusieurs reprises, dans ce qui précède, nous avons fait référence à l’énergie de surface, aussi appelée énergie superficielle ou encore travail spécifique de surface. C’est une grandeur fort importante, utilisée en thermodynamique des surfaces.
L’énergie de surface correspond à « l’excédent » d’énergie libre qu’il faut fournir à l’aire A d’une surface donnée, pour l’augmenter d’un incrément (ou accroissement) dA, en tenant compte de la nécessité de rééquilibrer les liaisons atomiques superficielles et en supposant que la température, le volume du solide et le nombre de constituants (au sens de la règle des phases) restent constants.
Cette énergie est rapportée à l’unité d’aire de surface ; elle s’exprime en joules par mètre carré (J · m–2), mais des sous-multiples sont souvent utilisés.
Dans le cas des liquides, mais aussi des solides, on fait souvent appel à la notion de tension superficielle γ, grandeur caractéristique de la surface et reliée au potentiel thermodynamique. L’unité de tension superficielle est le newton par mètre (N/m–1) ; comme précédemment, il existe des sous-multiples.
• Pour ces grandeurs, on trouve encore dans quelques ouvrages, des unités de l’ancien système CGS :
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1 erg · cm–2 = 10–3 J · m–2 = 1 mJ · m–2
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ou encore : 1 dyne · cm–1 = 10–3 N · m–1 = 1 mN · m–1
• Notons que pour beaucoup d’auteurs, l’énergie de surface et la tension superficielle sont confondues. Cela a pour conséquence que cette dernière est aussi exprimée en joules par mètre carré.
Si on reprend les calculs présentés par A. Cornet et J.-P. Deville [18], on peut écrire, pour la variation d’énergie interne, en séparant l’énergie de création d’une surface du travail mécanique résultant...
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