СМАЧИВАНИЕ И РАСТЕКАНИЕ. КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом).

При нанесении капли жидкости на поверхность твердого тела (или другой жидкости) можно наблюдать разные явления. В одном случае нанесенная жидкость сохраняет форму капли, в другом случае капля растекается по поверхности. Рассмотрим первый случай (рис. 5)

Рис. 5. Смачивание жидкостью твердого тела

Линия соприкосновения трех фаз называется периметром смачивания. Угол q называется краевым углом смачивания. Он отсчитывается со стороны жидкости. Поскольку капля находится в состоянии равновесия, действие сил на нее скомпенсировано. Рассмотрим эти силы. Как известно, силы поверхностного натяжения направлены на сокращение площади контакта фаз и действуют по касательной к поверхности. На рис. 3 эти силы представлены векторами, выходящими из точки соприкосновения всех трех фаз.

s_Т-Г – стремиться уменьшить площадь контакта твердого тела с газом, поэтому растягивает пленку жидкости по твердому телу.

s_Т-Ж – стремится уменьшить площадь контакта твердого тела с жидкостью, поэтому стягивает каплю жидкости в шарик.

s_Ж-Г – стремится уменьшить площадь контакта жидкости с газом, поэтому стягивает каплю жидкости в шарик (шарообразная поверхность имеет наименьшую площадь).

Рассмотрим равнодействующую сил, действующих на каплю в точке О вдоль поверхности твердого тела. Эти силы поверхностного натяжения s_Т-Г, s_Т-Ж, а также проекция s_Ж-Г на выбранную ось = s_Ж-Г ^. cosq.

В состоянии равновесия равнодействующая сил равна 0:

s_Т-Г = s_Т-Ж + s_Ж-Г ^. cosq (8)

Полученное соотношение (8) называется законом Юнга.

Сочетание уравнения Дюпре (7) с законом Юнга (8) позволяет выразить работу адгезии W_a через косинус краевого угла смачивания q.

Из уравнения (8) выразим разность

s_Т-Г – s_Т-Ж = s_Ж-Г ^. cosq

Полученную разность подставим в уравнение 7:

W_a = s_Ж-Г + s_Ж-Г ^. cosq = s_Ж-Г(1 + cosq) (9)

Уравнение (9) называют уравнением Дюпре – Юнга. Оно позволяет рассчитать работу адгезии, если известно поверхностное натяжение жидкости и краевой угол смачивания. Обе эти величины сравнительно легко определяются экспериментально: q определяют путем проектирования капли на экран (с помощью несложной установки) и измерения краевого угла на проекции капли. С помощью уравнения Дюпре – Юнга (9) легко найти соотношение между работой когезии смачивающей жидкости и работой адгезии между жидкостью и смачиваемым телом.

Краевой угол смачивания q или cosq являются количественной характеристикой смачивания. Чем меньше угол q и соответственно больше cosq, тем лучше смачивается поверхность.

В таблице 2 представлены возможные случаи поведения жидкости на твердой или жидкой поверхности. Смачивание или несмачивание зависит от соотношения работы когезии и работы адгезии.

Таблица 2. Критерии смачивания и несмачивания

Несмачивание жидкостью поверхности q > 900 (тупой угол)	Смачивание жидкостью поверхности q < 900 (острый угол)
cosq < 0 Wa < 1/2Wк	cosq > 0 Wa > 1/2Wк

В табл. 3 приведены значения краевых углов смачивания для некоторых веществ.

Таблица 3. Краевые углы смачивания водой некоторых веществ

Из веществ, приведенных в таблице, смачиваются водой: кварц, малахит, графит, тальк, а не смачиваются – парафин и фторопласт.

Смачивание и несмачивание являются причиной капиллярных явлений.

Капиллярные явления наблюдаются в капиллярах и капиллярно-пористых телах, содержащих жидкость. Капиллярные явления заключаются в поднятии или опускании уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в сосуде, в который опущены эти капилляры (рис. 6 и 7).

Рис. 6. Капиллярное поднятие жидкости (q < 90⁰)

Рис. 7. Отрицательное капиллярное поднятие жидкости (q > 90⁰)

Капиллярное поднятие или опускание жидкостей связано с возникновением кривизны поверхности (выпуклый или вогнутый мениск). В свою очередь появление кривизны поверхности связано с процессами смачивания (q < 90⁰, вогнутый мениск) или несмачивания (q > 90⁰, выпуклый мениск) жидкостями стенок капилляров.

Причина капиллярных явлений заключается в поверхностном натяжении жидкостей. Как говорилось ранее, поверхностное натяжение - это сила, направленная в сторону, ведущую к сокращению поверхности. Появление кривизны поверхности ведет к увеличению площади поверхности раздела фаз. Действие сил поверхностного натяжения приводит к возникновению капиллярного давления, направленного на выпрямление поверхности. Это давление заставляет жидкость в капилляре подниматься или опускаться. Капиллярное давление возникает только в том случае, когда радиус капилляра соизмерим с радиусом кривизны. Поэтому в широких трубках капиллярные явления не наблюдаются.

Капиллярным поднятием жидкостей объясняется ряд известных явлений и процессов. Пропитка бумаги, тканей обусловлена капиллярным поднятием жидкостей в порах; водонепроницаемость тканей обеспечивается их гидрофобностью и как следствие – отрицательным капиллярным поднятием; подъем воды из почвы по стволам растений происходит благодаря волокнистому строению древесины; капиллярными явлениями обусловлены процессы кровообращения в кровеносных сосудах; процессы адсорбции на мелкопористых сорбентах, которые сопровождаются капиллярной конденсацией. Подъем глубинных вод в грунтах и почвах обеспечивает влагой растительность. Для предотвращения высыхания почвы (испарения воды с поверхности) проводят рыхление (боронование) с целью разрушения капилляров и трещин, по которым поднимается влага.

Интересным примером проявления капиллярного давления может служить возникновение капиллярной стягивающей силы между частицами, пластинками при наличии между ними прослойки жидкости с вогнутым мениском (при хорошем смачивании частиц жидкостью).

Например, сухой песок – сыпучее вещество. При небольшом увлажнении песок хорошо формуется, т.к. между частицами возникают капиллярные силы, стягивающие частицы. При сильном увлажнении песок расплывается, т.к. между частицами исчезает мениск, частицы со всех сторон окружены жидкостью.

Еще один пример капиллярного стягивания – это «прилипание» друг к другу стеклянных пластинок, между которыми находится очень тонкая прослойка воды (одна капля). Такие пластинки очень трудно оторвать друг от друга.

Поиск по сайту: