Смачивание и несмачивание

В общем случае не только свободная поверхность жидкости, но любая граница между жидкостями или между жидкостью и твердым телом характеризуется своим коэффициентом поверхностного натяжения. Например, в случае контакта трех жидкостей (рис.3.3,а) необходимо рассматривать три коэффициента , характеризующие соответствующие границы между ними. Равновесная форма границ может быть определена двумя способами. Во-первых, из условия минимума энергии поверхностного натяжения

,                                      (3.7)

где S₁₂ и S₂₃ – площади соответствующих границ, a S₁₃ – площадь "дыры" в границе между 1 и 3 жидкостями.

Второй, статический способ, является более простым. Коэффициенты σ имеют смысл силы, действующей на единицу длины границы пленки, поэтому их можно рассматривать как векторы. Тогда условие равновесия границы, в которой соединяются пленки, имеет вид:

В проекциях на горизонтальное и вертикальное направления:

.

После решения этой системы уравнений, получим

.

Т. к. косинус не может иметь значение большее единицы, т.е. равновесие возможно только при . Если это неравенство не выполнено, то капля-2 растекается по поверхности жидкости 3 в форме тонкой пленки (например, бензиновые пленки на поверхности воды). В этом случае говорят, что жидкости 2 и 3 полностью смачиваются.

Аналогично, ведет себя капля жидкости на поверхности твердого тела (рис. 3.3,б,в). В таком случае из условий равновесия следует, что

.                                                         (3.8)

Угол θ называется краевым и отсчитывается таким образом, что включает жидкость 2. Ситуацию при θ < 90⁰ называют смачиванием, а при 90⁰ <θ < 180⁰ – несмачиванием жидкостью поверхности твердого тела. Поскольку косинус по модулю не может быть больше единицы, то формы капель, близкие к представленным на рис. 3,а,б,возможны не при любых значениях коэффициентов .При  капля растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (например, керосин на поверхности металлов или стекла). В этом случае говорят, что жидкость полностью смачивает твердое тело (абсолютное смачивание). В другом случае, при    абсолютное несмачивание жидкость стягивается в шаровидную каплю, несколько сплюснутую под силой тяжести. Говорят, что жидкость полностью не смачивает поверхность твердого тела, (например, капля ртути на стекле).

С энергетической точки зрения абсолютное смачивание объясняется тем, что энергия поверхности твердого тела, характеризуемая коэффициентом σ₁₃, велика, а растекание жидкости значительно понижает её. При абсолютном несмачивании, наоборот, велико значение энергии поверхности жидкости σ₁₂, поэтому она уменьшается до минимума – капля принимает форму шара.

Капиллярные явления

В широком смысле под капиллярами понимают полости, имеющие хотя бы один малый геометрический размер. Например, трубка, с отверстием малого радиуса, две поверхности на малом расстоянии. Под капиллярными явлениями понимают поднимание или опускание жидкостей по капиллярам. Искривленную поверхность жидкости называют мениском.

Высота поднятия жидкости по цилиндрическому капилляру (рис. 3.4) может быть определена следующими способами:

1) из условия баланса лапласовского давления, создаваемого мениском радиуса R, и гидростатического давления ρgh;

2) из условия равновесия между силами поверхностного натяжения и силой тяжести, действующими на столбик жидкости;

3) из условия минимума энергии поверхностного натяжения и потенциальной энергии столбика жидкости.

Конечное соотношение имеет вид: 

,                                     (3.9)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

r – радиус капилляра, м;

θ – краевой угол, рад.