2015-05-27
984
Известно, что в большинстве случаев жидкость, нанесенная на твердое тело не растекается, а остается в виде капли, контактирующей с твердой средой под определенным углом. Растекание жидкости по поверхности твердого тела называется ПОЛНЫМ СМАЧИВАНИЕМ и происходит в том случае, когда молекулы жидкости сильнее взаимодействуют с поверхностью твердого тела, чем между собой(например, вода, на поверхности чистого стекла).
Если молекулы жидкости взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела, растекание не произойдет. Жидкость соберется на поверхности твердого тела в каплю, которая, если бы не действовала сила тяжести, имела бы почти сферическую форму. Случай, близкий к этому, наблюдается при нанесении капли ртути на стекло.
Между этими двумя крайними случаями в зависимости от соотношения интенсивности молекулярных сил, действующих, с одной стороны, между молекулами жидкости и, с другой - между молекулами жидкости и твердого тела, возможны различные случаи неполного смачивания, когда капля жидкости образует с поверхностью твердого тела определенный равновесный угол, называемый краевым углом, или углом смачивания. Следует иметь в виду, что краевой угол, образуемый каплей на поверхности твердого тела всегда измеряют со стороны жидкости. На рис.1 изображены капли, образующие на твердой подложке острый краевой угол q <900 (а); q =900 (б) и тупой угол q >900 (в).
Рисунок №1
Полного несмачивания, т.е. случая, когда q =1800, практически некогда не наблюдается,
так как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы прятежения, хотя бы и очень малые.
Смачивание жидкостью твердого тела можно объяснить действием сил поверхностного натяжения. Рассмотрим пример полного смачивания, изображенный на рис.2.
Рисунок №2
Очевидно, что окружность капли, являющейся периметром смачивания, является границей взаимодействия трех сред - L - жидкости, S - твердого тела, V - газа(воздуха).
Таким образом на единице длины периметра смачивания действуют три силы Gls, G lv, Gls, силы изображены на рис.2 соответствующими векторами и направленные по касательной к соответствующей поверхности раздела, Gvs - поверхностное натяжение на границе твердое тело - газ, G lv - поверхностное натяжение на границе жидкость - газ, G lv - поверхностное натяжение на границе жидкость - твердое тело. При образовании равновесного угла, растекание капли по поверхности твердого тела прекращается,
следовательно, вдоль поверхности твердого тела все три силы уравновешивают друг друга. Тогда условия равновесия сил выражается уравнением Юнга:
где G lvcos - проекция G lv на плоскость твердого тела. Уравнения Юнга является основным уравнением теории смачивания. Достоинство его в том, что оно связывает между собой значения G lv и cos q - достаточно легко экспериментально измеряемых, со значениями Gvs-Gls -нахождение которых чрезвычайно сложно.
Например, уравнение Юнга позволяет легко рассчитать работу адгезии, характеризующую энергию взаимодействия между поверхностью твердого тела и жидкостью. Работа адгезии Wad, это работа, которую нужно совершить, чтобы оторвать от единицы поверхности твердого тела столбик жидкости.
Рисунок №3
Из рис.3 следует, что работа адгезии равна работе образования поверхности раздела жидкость - газ (Glv) и твердое тело - газ (Gvs) вместо поверхности твердое тело - жидкость, с энергией (Gls). Т.о
но из уравнения Юнга
тогда
Из всего сказаного выше следует, что жидкость тем лучше смачивает твердое тело, чем меньше взаимодействие между молекулами. Например, углеводороды с поверхностным натяжением порядка 20 - 30 эрг/см практически смачивают все твердые тела(стекло, кварц, неорганические соли), ртуть с поверхностным натяжением 475эрг/см почти все не смачивает (кроме некоторых металлов).
C термодинамической точки зрения смачивание является процессом, при котором в системе из трех соприкасающихся фаз происходит уменьшение свободной энергии.
В самом деле, пусть очень тонкий слой жидкости растекается по поверхности твердого тела, которое находится в газовой среде, и пусть площадь, покрытая жидкостью, в результате этого увеличивается на D S. При этом
1) поверхность твердого тела, граничащая с газом, уменьшается на D S, в результате чего поверхностная энергия системы уменьшится Gтв.т-г 0 D S.
2) поверхность, на которой жидкость соприкасается с газом,увеличивается на D S,
в результате чего, поверхностная энергия системы увеличивается на Gтв-г г 0 D S
3) площадь метефазной поверхности между жидкостью и твердым телом увеличивается
на D S, в результате поверхностная энергия увеличивается на Gж-тв.т г 0 D S.
Т.о. изменение свободной поверхности энергии при растекании будет:
Но жидкость растекается лишь если:
т.е.
отсюда
т.е энергия системы после растяжения F2 меньше энергии системы до растяжения F1.
