Смачивание нанокаплями

Для небольших капель существенную роль играет ещё один ТД параметр – линейное натяжение (к, Дж/м). Физический смысл линейного натяжения заключается в следующем. Молекулы жидкости, которые находятся на линии смачивания АВ непосредственно контактируют с молекулами двух соседних фаз (газ или тв). Поэтому их энергетическое состояние отличается от энергетического состояния молекул жидкости на поверхности капли, где она граничит только с одной фазой (газом). Избыточную энергию линии трёхфазного контакта по сравнению с энергией поверхности жидкости называют линейным натяжением. В отличии от поверхности раздела фаз эту энергию относят к единице длины (Дж/м). Поскольку 1Дж=1Н*м, линейное натяжение имеет размерность силы – Н. Эта сила направлена вдоль линии смачивания, создающая двухмерное давление p^*=к/r, которое действует по нормали к линии смачивания. Уравнение (1) называется уравнением Шелудко-Тошева-Платиканова. Для малых капель краевой угол рассчитывается согласно уравнению: cosθ^*=cosθ-к/(σr) (2). к≈10^-7-10^-6 мН. Поэтмоу существенный вклад второе слагаемое в формуле (2) даёт при очень малых размерах r≈1-10 нм.

Линейное натяжение играет важную роль в процессах, например, гетерогенного зарождения новой фазы, конденсации капель на твёрдую поверхность.

Адгезия, когезия, уравнение Дюпре

Адгезия – поверхностное явление, которое заключается в возникновении механической прочности при контакте поверхности двух различных веществ. Причиной адгезии является молекулярное притяжение контактирующих веществ или их химическое взаимодействие.

ТД характеристикой адгезии служит работа, которую необходимо совершить для разделения двух контактирующих фаз, например для полного отделения капли жидкости от твёрдой поверхности. Процесс должен происходить при постоянно температуре.

Когезия – сцепление молекул (атомов, ионов) физического тела под действием сил притяжения. Это силы межмолекулярного взаимодействия, водородные связи и(или) химические связи. Они определяют совокупность физических и ФХ свойств вещества: агрегатного состояния, летучести, растворимости, механические свойства и т.д. Интенсивность силы когезии резко убывает с расстоянием. Мерой взаимодействия служит плотность энергии когезии. Она эквивалентна работе удаления взаимно притягивающихся молекул или атомов на бесконечно большое расстояние друг от друга, что практически соответствует испарению или сублимации вещества.

Вывод уравнения Дюпре:

В начальном состоянии капля жидкости контактирует с твёрдой подложкой. Межфазная поверхность тв-жид имеет удельную энергию σ_тж. Для отрыва капли затрачивается работа W_a (в расчёте на единицу площади). При этом поверхность жид-тв исчезает, вместо неё возникает 2 новые поверхности: жид-газ и тв-газ с удельными поверхностными энергиями σ_жг и σ_тг соответственно. Из закона сохранения энергии: σ_тж+ W_a=σ_жг+σ_тг. Отсюда W_a=σ_жг+σ_тг+σ_тж.

Закон Кельвина

Рассмотрим каплю радиуса r с поверхностным натяжением σ, находящуюся в газовой среде. При условии r<a (a² – капиллярная постоянная жидкости) капля имеет сферическую форму. Поскольку поверхность капли выпуклая, давление в капле повышено на величину капиллярного давления p_c=2σ_тж/r. Соответственно, химический потенциал жидкости в капле больше, чем в той же жидкости с плоской поверхностью. Избыток потенциала равен: Δμ_ж=p_cV_m=2σV_m/r, где V_m – молярный объём жидкости.

Для равновесия фаз химический потенциал пара (μ_п) должен возрасти на величину Δμ_п= Δμ_ж. Химический потенциал идеального газа равен: μ=μ₀+RTlnp₀.

Для искривлённой поверхности химический потенциал равен: μ=μ₀+RTlnp_с.

Из условия Δμ_п=Δμ_ж получаем зависимость насыщенного пара p_r от кривизны поверхности жидкости: p_r/p₀=exp(2σV_m/(rRt))

Таким образом, чем меньше r, тем больше p_r. Поэтому зависимость давления от кривизны особенно важна для высокодисперсных и нанодисперсных систем (аэрозолей)