Любой материал, включая металлы, является физико-химической системой. Поэтому для металлов характерны основные закономерности, определяющие поведение физико-химических систем. Одна из важных закономерностей заключается в том, что устойчивость всех тел возрастает при уменьшении энергии. Энергетические соотношения зависят от внутренней структуры металла. Чем прочнее связи между атомами, тем большую энергию необходимо затратить для разделения этих атомов.
Энергию механических систем подразделяют на потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия, являющаяся частью энергии механической системы, зависит от положения частиц системы или тела во внешнем силовом поле. Например, потенциальная энергия может быть связана с действием сил гравитации или кулоновских сил, возникающих в электрических полях. Кинетическая энергия является энергией движения. Например, непрерывное движение (колебания) атомов в металле в результате теплового возбуждения оказывает существенное влияние на его свойства.
Если в механической системе имеет место минимум потенциальной энергии, то система находится в устойчивом состоянии, которое называют стабильным равновесием. Па рис. 1.1 приведены три положения (I, II, III) прямоугольного бруска. В состоянии III брусок находится в наиболее устойчивом состоянии (стабильном равновесии), так как его центр тяжести расположен ниже, чем в состояниях I или II. При переходе бруска из положения I в положение III его потенциальная энергия уменьшается. Вместе с тем если отсутствует внешнее воздействие, то положение I тоже может сохраняться сколь угодно долго. Такое состояние называют мета-стабильным равновесием. Чтобы перевести брусок из положения I в положение III, необходимо его приподнять и наклонить, для чего требуется затратить определенную работу. Эта дополнительная работа называется энергией активации (ΔЕ*). Для перевода системы из состояния стабильного равновесия III в состояние метастабильного равновесия I энергия активации ΔЕ^*₂ должна быть больше, чем при обратном переводе ΔЕ^*₁.
Полная внутренняя энергия системы состоит также из двух частей. Одна часть этой энергии обусловлена внутренним состоянием системы (внутренним беспорядком) и не участвует в реакциях с внешней средой. Другая часть внутренней энергии может быть переведена в работу и выделена из системы. Эта часть энергии называется свободной энергией. Состояние равновесия системы характеризуется уровнем свободной энергии. Минимум свободной энергии соответствует состоянию стабильного равновесия системы. В природе любая система самопроизвольно стремится к минимуму свободной энергии, т.е. к достижению наиболее устойчивого состояния.
Чаще всего анализ состояний системы поясняют на примере энергетической кривой, моделирующей механическую систему «криволинейная поверхность — шар» (рис. 1.2). Предполагается, что шар перекатывается по криволинейной поверхности и стремится занять положение с минимальным запасом потенциальной энергии, которое характеризуется положением в точке г и соответствует стабильному равновесию.
В положении в система обладает относительной устойчивостью, что соответствует метастабильному равновесию. Для перехода из метастабильного в стабильное состояние система должна преодолеть энергетический барьер АЕв. В положении б система находится в неустойчивом состоянии и обладает запасом свободной энергии А В точке а система не имеет относительной устойчивости, а ее состояние называется лабильным.