§ 49. Смачивание
Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой.
Смачивание бывает двух видов:
-
Иммерсионное(вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)
-
Контактное(состоит из 3х фаз - твердая, жидкая, газообразная)
Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).
Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока(2008) не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.
Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности
(лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.
К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится добавлять специальные ПАВ. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.
При соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела возможны два случая: жидкость смачивает твердое тело и не смачивает его. Если, например, капли ртути поместить на поверхность чистого железа и на чистое стекло, то на поверхности железа они будут растекаться, а на поверхности стекла иметь форму, близкую к шарообразной.
Если силы взаимодействия молекул твердого тела и молекул жидкости больше сил взаимодействия между молекулами жидкости, то жидкость смачивает твердое тело (ртуть-железо). В другом случае жидкость не смачивает твердое тело (ртуть-железо).
Искривлённая поверхность жидкости в узких цилиндрических трубках или около стенок сосуда называется мениском. Поверхность смачивающей жидкости вблизи твердого тела поднимается, а мениск – вогнутый (рис.49.1,а).У несмачивающей жидкости ее поверхность вблизи твердого тела несколько опускается, и мениск – выпуклый (рис.49.1,б).
а б
Рисунок 49.1
Определить, смачивающей или несмачивающей по отношению к твердому телу является жидкость, можно пол краевому углу 
(угол между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке М).
Для жидкости, смачивающей поверхность твердого тела, краевой угол острый ( < π/2); чем лучше смачивание, тем меньше . Для полного смачивания = 0. Для несмачивающих жидкостей краевой угол изменяется в пределах π/2 < < π; при полном не смачивании = π.
У смачивающей жидкости мениск вогнутый, у несмачивающей – выпуклый.
Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).
Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.
Измерение степени смачивания весьма важно во многих отраслях промышленности (лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.). К примеру, на лобовые стёкла автомобилей наносят особые покрытия, которые должны быть устойчивы против разных видов загрязнений. Состав и физические свойства покрытия стёкол и контактных линз можно сделать оптимальным по результатам измерения контактного угла.
К примеру, популярный метод увеличения добычи нефти при помощи закачки воды в пласт исходит из того, что вода заполняет поры и выдавливает нефть. В случае мелких пор и чистой воды это далеко не так, поэтому приходится добавлять специальные ПАВ. Оценку смачиваемости горных пород при добавлении различных по составу растворов можно измерить различными приборами.
Смачиваемость воды.
Это свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их. При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.
§ 50. Капиллярность
Капиллярность (от лат.Capillaris — волосяной) — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п. Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например, ртуть в стеклянной трубке. На основе капиллярности основана жизнедеятельность животных и растений, химические технологии, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами. Капиллярами называются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных.
Особенно хорошо наблюдается искривление мениска жидкости в тонких трубках, называемых капиллярами. Если в сосуд с жидкостью опустить капилляр, стенки которого смачиваются жидкостью, то жидкость поднимается по капилляру на некоторую высоту h (рис.50.1). Это объясняется тем, что искривление поверхности жидкости вызывает дополнительно молекулярное давление. Если поверхность выпуклая и имеет сферическую форму, то добавочное давление составит
Рисунок 50.1
В случае выпуклого мениска (r > 0) суммарное давление больше атмосферного и жидкость опускается по капилляру. Если мениск вогнутый (r < 0), суммарное давление меньше атмосферного и жидкость поднимается по капилляру. Жидкость поднимается (или опускается) до тех пор, пока гидростатическое давление р = ρqh столба жидкости высотой h не компенсирует добавочное (Лапласовское) давление рл. (Лаплас установил зависимость этого давления от формы мениска.) В этом случае
,
где ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения, r - радиус капилляра, R – радиус кривизны мениска.
Высота поднятия (глубина опускания) жидкости в капилляре:
.
§ 51. Явление капиллярности в быту, природе и технике
Явление капиллярности в быту играет огромную роль в самых разнообразных процессах, происходящих в природе. Например, проникновение влаги из почвы в растения, в стебли и листья обусловлено капиллярностью. Клетки растения образуют капиллярные каналы, и чем меньше радиус капилляра, тем выше по нему поднимается жидкость. Процесс кровообращения тоже связан с капиллярностью. Кровеносные сосуды являются капиллярами.
Особенно большое значение имеет капиллярность почвы. По мельчайшим сосудам влага из глубины перемешивается к поверхности почвы. Если хотят уменьшить испарение влаги, то почву рыхлят, разрушая капилляры. С целью увеличения притока влаги из глубины почву укатывают, увеличивая количество капиллярных каналов. В технике капиллярные явления имеют большоезначения в процессах сушки, в строительстве.
ФОРМУЛА ЛАПЛАСА
Рассмотрим тонкую жидкую пленку, толщиной которой можно пренебречь. Из-за действия сил поверхностного натяжения пленка создает разность давления с разных сторон. Этим объясняется существование мыльных пузырей: пленка сжимается до тех пор, пока давление внутри пузыря не будет превышать атмосферное на величину добавочного давления пленки. Добавочное давление в точке поверхности зависит от средней кривизны в этой точке и дается формулой Лапласа:
Δp=σ⋅(1R1+1R2).Δp=σ⋅(1R1+1R2).
Здесь R1R1 и R2−R2− радиусы главных кривизн в точке. Они имеют одинаковый знак, если соответствующие центры кривизны лежат по одну сторону от касательной плоскости в точке, и разный знак — если по разные стороны. Например, для сферы центры кривизны в любой точке поверхности совпадают с центром сферы, поэтому R1=R2=RR1=R2=R. Отсюда избыточное давление внутри капли равно:
Δp=2σR.Δp=2σR.
Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности:
Δp=4σR.
