9.7.2. Поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение представляет собой межфазное натя-жение, являющееся механической и термодинамической характеристикой межфазной поверхности.

Поверхностное натяжение измеряется работой А изотермического образования единицы площади S₁₂ поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз

(9.7.3)

Размерность величины σ – [работа/площадь] или [сила/длина].

Поверхностное натяжение определяет среднюю энергию перевода молекул из «объемного» состояния в «поверхностное». Это работа против сил молекулярного сцепления.

Рассмотрим случай капли жидкости на поверхности твердого тела (рис. 9.7.1). Жидкость может смачивать или не смачивать поверхность.

П од смачиванием будем понимать процессы, происходящие при взаимодействии жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости, и проявляющиеся в растекании жидкости и формировании пло-щади адгезионного контакта.

К процессам смачивания относятся образование капель жидкости или пузырьков, возникновение менисков в капиллярных каналах, вытеснение одной жидкости другой, проникновение жидкости в капиллярно-пористые тела. На границах раздела трех фаз существуют силы поверхностного натяжения. Равновесие капли на поверхности обеспечивается балансом сил, который записывается в виде

или ,

где θ – краевой угол. Это уравнение называется уравнением Юнга.

Если 0 < θ < π/2, то говорят о частичном смачивании поверхности, а если π/2 < θ < π , то речь идет о частичном несмачивании. В случае, если жидкость полностью не смачивает поверхность, то формируется сферическая капля жидкости.

Поверхностное натяжение является положительной величиной во всех случаях равновесия соприкасающихся фаз.

Равновесие двух объемных фаз без диспергирования возможно лишь при достаточно высоких значениях σ.

Под диспергированием будем понимать тонкое измельчение твердых тел и жидкостей, приводящее к образованию дисперсных систем, к кото-рым отнесем порошки, суспензии, эмульсии.

Наивысшими значениями поверхностного натяжения обладают жид-кости и твердые тела, обладающие прочными связями между структурными элементами.

Поверхностное натяжение жидкостей обуславливает капиллярные явления. В основе методов измерения величины поверхностного натяжения лежит закон Лапласа, в соответствии с которым разность давлений над и под поверхностью пленки с радиусами кривизны по двум ортогональным координатам, равным R₁ и R₂, определяется как

. (9.7.4)

Поверхностное натяжение можно измерять статическими методами, в основе которых лежат значения капиллярного давления. Эта величина является разностью давлений Р_σ по обе стороны искривленной поверхности раздела фаз

, (9.7.5)

где R — радиус мениска, одинаковый для двух координат поверхности.

Прямые методы измерения поверхностного натяжения твердых тел основаны на наличии у них вязкой ползучести при высоких температурах.

Ползучесть – это способность медленно течь под воздействием внешней силы.

Например, поверхностное натяжение металла или стекла можно опре-делить, растягивая нить или тонкий листок с силой F₀. При достаточно боль-ших напряжениях (Р > Р₀) листок с начальной длиной l₀ будет удлиняться так, что ∆l / l₀ > 0. Это произойдет за счет сокращения ширины а и толщины b (а«b). При малых напряжениях (Р < P₀) листок будет сокращаться (∆l / l₀ < 0), и под действием сил поверхностного натяжения может превратиться в ша-рик.

Графической интерполяцией можно определить P₀ / a как силу, урав-новешивающую σ. Так вычисляется значение σ.