Смачивание реальных твёрдых тел

Смачивание реальных твёрдых тел. Капиллярные явления

План лекции

1.Смачивание реальных твёрдых тел. Гистерезис смачивания. Углы натекания и оттекания. Равновесные и статические краевые углы.

2.Растекание жидкости по поверхности твёрдого тела. Динамические краевые углы.

3.Капиллярные явления при проникновении расплава в металл.

Рассмотренные закономерности смачивания выполняются на всех поверхностях жидкостей и только на идеально гладких и однородных поверхностях твёрдых тел. На поверхности реальных твёрдых тел обязательно имеются шероховатости, поры, трещины и т.д., которые влияют на краевой угол и затрудняют определение равновесных краевых углов. Отклонение статических краевых углов от равновесных значений характеризуется гистерезисом смачивания.

При наличии гистерезиса смачивания различают краевые углы натекания и отекания. Убедиться в их наличии легко, если к капле жидкости, образующей на твёрдой поверхности равновесный краевой угол, аккуратно добавить или отобрать от неё небольшое количество той же жидкости. Как видно из рисунка, в обоих случаях площадь поверхности, занимаемая каплей, сразу не изменяется, а соответственно увеличивается или уменьшается статический краевой угол.

При увеличении капли формируется краевой угол натекания. За образованием краевых углов натекания и отекания удобно наблюдать, если наклонять пластинку с каплей.

В нижней её части образуется угол натекания и в верхней - угол отекания. Чаще всего под этими терминами имеют в виду предельные значения этих углов, т.е. максимальный угол - угол натекания и минимальный угол - угол отекания. Начиная с некоторого момента после формирования этих углов начинает изменяться площадь поверхности, занимаемая каплей: она увеличивается при достижение предельного угла натекания и уменьшается при достижение предельного угла отекания. При этом преодолевается потенциальный барьер, тормозящий достижение равновесия. Количественно его можно определить, наклоняя пластину с каплей: в момент начала течения капли достигаются предельные углы, а составляющая силы тяжести, направленная параллельно поверхности пластины, равна силе сопротивления, соответствующей потенциальному барьеру. Так как угол натекания θ_нт больше равновесного краевого угла θ, то σ₂₁۰cosθ_нт˂ σ₂₁۰cosθ (чем больше угол, тем меньше его косинус). Метастабильное равновесие возможно при условии, что разница между правой и левой частью неравенства равна силе сопротивления (трения), или потенциальному барьеру. Поэтому σ₂₁۰cosθ_нт= σ₂₁۰cosθ – ψ_нт или cosθ_нт= cosθ - ψ_нт/σ₂₁. Для оттекания получим: cosθ_от= cosθ + ψ_от/σ₂₁ - потенциальные барьеры для статических углов натекания и отекания соответственно. Они измеряются в тех же единицах, что и поверхностное натяжение. Как правило, ψ_нт ≠ ψ_от, однако часто принимают ψ_нт ≈ ψ_от.

Если потенциальный барьер, возникающий даже на гладких поверхностях, тормозит достижение равновесного значения краевого угла, то шероховатость поверхностей твердых тел изменяет равновесный угол. При смачивании шероховатость улучшает смачиваемость, при несмачиваемости - ухудшает.

Растекание жидкости по поверхности твердых тел

Капля жидкости, нанесенная на поверхность, может оставаться на ее определенном участке, и система будет находиться в равновесии в соответствии с законом Юнга: или же растекаться по поверхности так, что краевой угол не устанавливается. В обоих случаях система переходит в состояние с минимальной энергией Гиббса.

Рассмотрим условия растекания жидкости по поверхности. Эти условия сводятся к росту межфазной поверхности на границе жидкость - газ, к росту площади границы раздела жидкость - твердое тело и к уменьшению поверхности твердое тело - газ. Принимая это во внимание, изменение энергии Гиббса можно записать следующим образом: или Для самопроизвольно протекающего процесса dG<0, условием растекания является dS>0. Следовательно, или.

Если разность заменить выражением из уравнения Дюпре, то получим условия растекания в следующем виде:

или

Учитывая, что, получаем

Таким образом, растекание происходит в нашем случае, если работа адгезии превышает работу когезии растекающейся жидкости. Другими словами, жидкость растекается, если её межмолекулярные связи разрушаются в результате адгезии.

Следует отметить, что краевые углы смачивания, существующие в процессе растекания, называются динамическими.

Дата добавления: 2014-01-03