2.7.Змочування і розтікання

Змочування – це поверхневе явище, яке полягає у взаємодії рідини з іншою конденсованою фазою, при умові одночасного контакту трьох фаз, одна з яких - газ (повітря).

Мірою змочування є крайовий кут змочування, це кут між площиною поверхні, що змочується і дотичною до поверхні рідини в одній із точок контуру змочування.

В залежності від величини крайового кута змочування можливі наступні варіанти контакту рідини з поверхнею (рис.8).

Рис. 8. Приклади змочування поверхні.

1. 180^о>>90^o Поверхня не змочується (ліофобна);

2. =90^o Межа змочування і незмочування;

3. <90^o Поверхня змочується (ліофільна).

Проаналізуємо поверхневі сили, що діють на краплину яка знаходиться на поверхні в умовах рівноваги (рис.9).

Рис. 9. Сили, що діють на краплю на поверхні.

_3,1 - сила, яка діє між твердим тілом і газом і прагне розтягнути краплю;

_3,2 –стягує краплю і діє між рідиною і твердим тілом;

_2,1 – діє між газом і рідиною.

У випадку рівноваги цих сил:

_3,1=_2,1cos+_3,2 ( 2.0)

( 2.0)

Рівняння (2.34) називають рівнянням Юнга.

_3,1-_3,2=_2,1cos ( 2.0)

Підставимо вираз (2.35) в рівняння Дюпре (2.30) і ₁ отримуємо рівняння Дюпре - Юнга:

W_a=_3,1-_3,2+_2,1cos__cos_2,1cos ( 2.0)

Розділимо вираз (2.36) на 2_2,:

( 2.0)

Якщо =0^o cos=1 W_a=W_K;

=90^o cos=0 W_a=0,5W_K;

=180^o cos=-1 W_a=0, але такого стану в природі не спостерігалось.

Наприклад в системі вода-тефлон:

=108^o; _H2O=72мДж/м²; Wa=50,3мДж/м².

На поверхнях реальних тіл завжди є неоднорідності, пори та тріщини. Вони викликають відхилення кутів змочування від рівноважних значень. Це відхилення називають гістерезисом змочування. При наявності гістерезиса змочування розрізняють граничні кути натікання і відтікання.

При збільшенні об’єму краплини максимальний кут, при якому площа поверхні, яку займає крапля, не змінюється називають кутом натікання; а при зменшенні об’єму краплини мінімальний кут при якому площа поверхні що займає краплина залишається незмінною називають кутом відтікання.

За утворенням цих кутів зручно спостерігати нахиляючи пластину з краплею, до моменту стікання її з поверхні (рис.10).

Рис. 10. Змочування реальних тіл.

2.7.1.Розтікання рідин. Ефект Марангоні

Розтікання рідини відбувається якщо робота адгезії перевищує роботу когезії для рідини, що розтікається. Різницю між роботою адгезії і когезії називають коефіцієнтом розтікання за Гаркінсом.

f=W_a-W_k=_3,1-_2,1-_2 ( 2.0)

Якщо f >0, то рідина розтікається по поверхні і тим краще, чим більше f . Якщо f <0, то рідина знаходиться на поверхні у формі краплин.

Ефектом Марангоні називають розтікання рідин з меншим поверхневим натягом по поверхні рідини, що має більший поверхневий натяг. Таке розтікання відбувається в наслідок прагнення поверхні зменшити поверхневу енергію Гіббса.

При взаємному насиченні двох рідин, рідина, що розтікається може знову стягуватися у краплину з відповідним кутом змочування, при цьому W_a=W_k. Поверхневий натяг у цьому випадку визначається за правилом Антонова:

Поверхневий натяг на межі рідина-рідина двох взаємонасичених рідин дорівнює різниці поверхневих натягів їх насичених розчинів на межі з повітрям.

_2,1^нас-_3,1^нас=_3,2^нас ( 2.0)

Приклад 2.5

Розрахуйте роботу адгезії ртуті до скла при 293 К, якщо відомий крайовий кут змочування 130^0.. Поверхневий натяг ртуті 475 мДж/м². зайдіть коефіцієнт розтікання ртуті на поверхні скла.

Wa = (1 + cos ) = 475∙10^-3(1 – 0.64) = 171∙10^-3 Дж/м²

Wk = 2∙ = 2∙475∙10^-3 = 950∙10^-3 Дж/м²

f = Wa – Wk = 171∙10^-3 – 950∙10^-3 = -779∙10^-3 Дж/м²

Отже ртуть по поверхні скла не розтікається.