Явления на границе жидкости и твёрдого тела

На краю поверхности жидкости, находящейся в сосуде, мы имеем дело с соприкосновением трёх сред: твёрдой, жидкой и газообразной. В этом случае вся система принимает конфигурацию, соответствующую минимуму суммарной энергии (поверхностной, в поле силы тяжести и т.п.).

Рис. 149. Схемы к расчету равновесия капли на поверхности твердого тела для случаев несмачивающей (а) и смачивающей (б) жидкостей 1 – газ, 2 – жидкость, 3 – твердое тело.

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь) и принимает форму мениска. Для характеристики мениска вводится краевой угол между смоченной поверхностью стенки и мениском в точках их пересечения (рис. 149).

Если эти силы взаимодействия между жидкостью и твердым телом больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под острым углом , характерным для данной пары жидкость – твердое тело (рис. 146, б). Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол оказывается тупым (рис. 146, а). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела.

Для количественного описания смачивания жидкостью твердого тела рассмотрим равновесие сил, действующих на элемент контура, образованного пересечением трех границ раздела фаз: газа 1, жидкости 2 и твердого тела 3 (см. рис. 149).

На рис. 149 ; ; , а величины , и – равны поверхностному натяжению на границах раздела газ-жидкость, газ - твердое тело и жидкость - твердое тело.

В проекции на горизонтальную ось можно записать условие равновесия (рис 149):

, (1)

где проведено сокращение на величину длины элемента контура .

Из формулы (1) имеем:

. (2)

Как следует из этой формулы, равновесию жидкости на поверхности твердого тела соответствует вполне определенный угол . Этот угол может принимать значения от до .

Так как , то из формулы (2) следует условие существования устойчивого равновесия жидкости на поверхности твердого тела: .

Если это условие не выполняется, капля либо, при начинает неограниченно (до толщины нескольких мономолекулярных слоев) растекаться по поверхности, либо, при , стягиваться до тех пор, пока её общая граница с поверхностью не превратится в точку. В первом случае наблюдается явление полного смачивания твердого тела жидкостью (например, капля керосина на поверхности стекла), а во втором – полное несмачиваение (например, капля воды на поверхности парафина). Если краевой угол , то имеет место частичное смачивание, а при – частичное несмачивание.

Таким образом, угол зависит только от природы трёх соприкасающихся сред.

Рассмотрим частные случаи, следующие из формулы (1):

Рис. 150. Капля жидкости растекается по поверхности.

1). Если , то , следовательно, – смачивание (рис. 150).

Рис. 151.

2).Если , то , следовательно, – несмачивание (рис. 151).

3).При – полное (идеальное) смачивание.

4).При – полное (идеальное) несмачивание.

5).При – отсутствуют смачивание и несмачивание, жидкость имеет плоскую поверхность.

Из формулы (2) видно, что во всяком реальном случае устойчивого равновесия жидкости у стенки должно выполняться условие: .Таким образом, реальной ситуации при взаимодействии жидкости с твердым телом реализуются, как правило, две возможности – либо частичное смачивание , либо частичное несмачивание .

Капиллярные[54] явления

Капиллярные явления – физические явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред (в узком смысле: явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах).

К капиллярным явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривление их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности ведёт к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления , величина которого связана со средней кривизной поверхности уравнением Лапласа.

Рис. 152.

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда особенно отчетливо видно в капиллярах, где искривляется вся свободная поверхность жидкости. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 152, а), а у несмачивающей – выпуклый (рис. 152, б). Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь поперечного сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться.

Силы поверхностного натяжения создают дополнительное (лапласово) давление под искривленной поверхностью жидкости.

Рис. 153.

Если поместить капилляр одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие наличия силы лапласова давления жидкость в капилляре поднимается (если жидкость смачивающая) или опускается (если жидкость несмачивающая) (рис.153, а, б), так как под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет.

На рис.154 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса , опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности . Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести , действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы

Рис. 154. Подъем смачивающей жидкости в капилляре

соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: , где , . Отсюда следует: .

При полном смачивании , . В этом случае: .

При полном несмачивании , и, следовательно, . Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде.

Благодаря капиллярности возможны жизнедеятельность животных и растений, различные химические процессы, бытовые явления, однако важно отметить, что в биологических объектах капиллярный механизм перемещения жидкости не является единственным (важную роль играет осмос[55]).

Так, влагообмен в почве осуществляется за счёт поднятия воды по капиллярам. Поэтому перепахивание почвы, разрушающее эти капилляры, способствует сохранению в ней влаги. Примерами капиллярных явлений являются процессы поднятия жидкостей по фитилям, впитывание влаги гигроскопическими телами и др. Защита металлических поверхностей от коррозии с помощью масляных плёнок основана на несмачивании водой жирных поверхностей. Непромокаемую одежду изготовляют из тканей, которые не смачиваются водой. Наоборот, при крашении важно, чтобы поверхность тела хорошо смачивалась красителем.

Твёрдые тела