2.4.3. Работа адгезии и теплота смачивания

При взаимодействии жидких и твердых тел важное значение имеют еще две определяемые характеристики: работа адгезии и теплота смачивания.

Работа адгезии (прилипания) – это работа, необходимая для отрыва жидкости от твердой поверхности в направлении, перпендикулярном к границе раздела, и отнесенная к единице площади поверхности. Единица измерения работы адгезии - [Дж/м²] или [эрг/см²].

Известна также работа когезии (слипания), которая определяет аналогичным образом разрыв однородной фазы.

Работа адгезии для рассмотренной схемы можно записать в виде уравнения:

(2.4.3)

Уравнение (2.4.3) называется уравнением Дюпрe. Если учесть уравнение Юнга (2.4.1), получим:

,

Или для системы «вода – нефть»:

. (2.4.4)

Уравнение (2.4.4) называется уравнением Дюпре – Юнга.

Если жидкость полностью не смачивает твердую поверхность, т. е.  = 180⁰ и cos = -1, то W_а = 0 (что с формальной точки зрения справедливо: нет смачивания – не требуется совершения работы, хотя с физической точки зрения в реальном ограниченном пространстве пор среды условие невыполнимо, т.к. межмолекулярное взаимодействие двух сред при их контакте всегда имеется, и W_а > 0 в любом случае).

Если имеет место полное смачивание, т.е.  = 0⁰ и cos=1, тогда W_к = 2_вн – эта работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей, следовательно, при полном смачивании жидкость отрывается не от поверхности, а происходит разрыв самой жидкости (работа когезии).

Подставляя в уравнение (2.4.4) выражение для работы когезии, получим:

или . (2.4.5)

Полученное выражение позволяет оценить степень смачивания твердой поверхности жидкостью в зависимости от соотношения сил межмолекулярного взаимодействия внутри жидкости (работа когезии) и способности ее взаимодействия с твердой поверхностью (работа адгезии). Так, например, непременным условием смачивания, т.е. cosθ > 0, будет .

С другой стороны, в уравнения (2.4.5) входят слагаемые, вполне поддающиеся экспериментальному определению, что также делает их весьма полезными.

Теплота смачивания.

Процесс смачивания твердого тела жидкостью является экзотермическим, т.е. сопровождается выделением тепла. Причем, большее количество тепла выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твердую поверхность. Следовательно, теплота смачивания может служить термической характеристикой смачивания данной поверхности. Количественной характеристикой выделяющейся при смачивании жидкостью твердой поверхности является удельная теплота смачивания

или ,

где Е – количество выделившейся теплоты; V_ж и m_ж - объем или масса жидкости.

Для пористых сред удельная теплота смачивания меняется в широком диапазоне (от 1 до 125 кДж/кг) и зависит от степени дисперсности и шероховатости поверхности. Например, для месторождений Западной Сибири удельная теплота смачивания нефтенасыщенных кернов составляет 6,3 – 24,4 кДж/кг.

2.4.4. Статический гистерезис смачивания.

Обратимся еще раз к уравнению Юнга (2.4.2). Как видно из уравнения, краевой угол избирательного смачивания не зависит от размеров капли. Проведем мысленно эксперимент по увеличению объема капли воды, находящейся на поверхности твердого тела в окружении нефти (рис.2.4.9).

Рис. 2.4.9. Статический гистерезис смачивания.

Очевидно, что в начале процесса капля жидкости станет более выпуклой, и угол смачивания увеличится , но затем, по мере перехода системы в состояние равновесия, значение угла должно стать первоначальным. В силу проявляющихся адсорбционных явлений, процессов межмолекулярного взаимодействия и сил трения установление равновесного значения угла смачивания происходит не мгновенно.

Аналогичный эффект будет наблюдаться при попытке уменьшить объем жидкости: капля вначале станет более плоской, и угол смачивания уменьшится , а затем вновь будет стремиться к первоначальному, и капля будет как бы стягиваться. Этот процесс – не мгновенного установления равновесного угла смачивания при перемещении периметра смачивания жидкости по твердой поверхности – называется статическим гистерезисом смачивания. Причем, в первом случае угол, образующийся при расширении периметра смачивания, когда вода вытесняет нефть с твердой поверхности, называется наступающим , а во втором – при сокращении периметра смачивания и вытеснении воды нефтью с поверхности – отступающим .