Смачивание. Капиллярные явления

Поверхностное натяжение твердых тел можно обнаружить косвенным путем, наблюдая явления, происходящие на границе твердого тела с жидкостью.

Если при соприкосновении жидкости с твердым телом взаимодействие между их молекулами более сильно, чем взаимодействие между молекулами самой жидкости, то жидкость будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и растечется по твердому телу. В этом случае говорят, что жидкость смачивает твердое тело. Когда взаимодействие между молекулами твердого тела и молекулами соприкасающейся с ним жидкости более слабое, чем между молекулами самой жидкости, то жидкость будет стремиться сократить поверхность соприкосновения с твердым телом. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает твердое тело.

Одна и та же жидкость смачивает одни твердые тела и не смачивает другие. Например, вода смачивает стекло и не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло и смачивает чистую поверхность железа.

Рассмотрим каплю жидкости на поверхности твердого тела (рис. 4.7.6.).

Рис. 4.7.6.

Для мелкой капли в первом приближении можно не учитывать действия силы тяжести и считать, что ее форма устанавливается под влиянием взаимодействия трех сред: жидкости Ж, твердого тела Т, воздуха или газа Г. Эти три среды имеют общую границу - окружность, ограничивающую каплю. На единицу длины этой окружности будут действовать сила поверхностного натяжения α₁₂ между твердым телом и жидкостью, сила поверхностного натяжения α₁₃, между жидкостью и воздухом и сила поверхностного натяжения α₂₃ по границе между твердым телом и воздухом. Равнодействующая этих сил, когда капля находится в равновесном состоянии, равна нулю. Условием равновесия капли, как следует из рис. 4.7.6, будет равенство

α₂₃ = α₁₂ + α₁₃·cosθ (4.7.13)

Угол θ между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости, отсчитываемый внутри жидкости, называют краевым.

Если α₂₃ > (α₁₂ + α₁₃), то ни при каком значении краевого угла θ равновесия быть не может и капля будет растекаться по поверхности твердого тела, покрывая ее тонкой пленкой (рис. 4.7.7, а).

Рис. 4.7.7.

Это явление называют полным смачиванием. Другой крайний случай имеет место для α₁₂ > (α₂₃ + α₁₃). При этом окружность, ограничивающая каплю, стягивается, и капля приобретает эллипсоидальную форму (рис. 4.7.7, б) или сферическую, если она достаточно мала. Это явление полного несмачивания. Равновесное значение краевого угла определяется из соотношения:

(4.7.14)

Если α₂₃>α₁₂, то угол θ - острый. В этом случае имеет место частичное смачивание. При α₂₃<α₁₂ угол θ - тупой. В этом случае имеет место частичное несмачивание.

Поверхность смачивающей жидкости, находящейся в узких трубочках (капиллярах), принимает вогнутую форму (рис. 4.7.8, а), а несмачивающей жидкости — выпуклую (рис. 4.7.8, б). Такие изогнутые поверхности жидкости называют менисками.

Рис. 4.7.8.

Рассмотрим случай, когда капилляр погружен одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд. Если капилляр представляет собой круглую цилиндрическую трубку с радиусом канала r и жидкость смачивает его стенки, то мениск в нем будет иметь сферическую форму (рис. 4.7.9).

Рис. 4.7.9.

Под этим мениском давление жидкости будет на Δр меньше, чем в широком сосуде, где поверхность жидкости практически плоская. Поэтому в капилляре жидкость поднимается на высоту h, при которой вес столба жидкости в нем уравновесит отрицательное дополнительное давление, обусловленное кривизной мениска:

(4.7.15)

где .

Из рис. 4.7.9 видно, что и, следовательно,

(4.7.16)

Тогда из (4.7.15) и (4.7.16) имеем

(4.7.17)

Таким образом, высота поднятия смачивающей жидкости в капилляре тем больше, чем меньше его радиус, т. е. чем уже капилляр. Очевидно, эта же формула позволяет определить и глубину опускания в капилляре несмачивающей жидкости.

[1] Для реального газа (см.п.4.6) уравнение изотермы представляется уравнением Ван-дер-Ваальса:, где добавка к давлению учитывает взаимное притяжение реальных молекул, а величина « b » - учитывает собственный объем реальных молекул.