5.3. Адгезия и теплота смачивания

Кроме измерения углов смачивания, взаимодействие жидких и твердых тел может быть исследовано путем изучения работы адгезии и теплот смачивания.

Адгезия – слипание поверхностей двух соприкасающихся разнородных твердых или жидких тел (в физике).

Когезия (от лат. cohaesus - связанный, сцепленный) — сцепление друг с другом частей одного и того же тела (жидкого или твердого). Обусловлена химической связью и межмолекулярным взаимодействием.

Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

Wa = σ_1,2 + σ_2,3 – σ_1,3,, (5.6)

где σ₁₂ — поверхностное натяжение жидкости на границе с воздухом;

σ₃₂ и σ₃₁ — поверхностное натяжение твердого тела на границе с воздухом и с жидкой фазой.

Неизвестные величины σ₃₂ и σ₃₁ из уравнения (5.6) можно исключить, если использовать соотношение (5.4) и (5.5). Подставляя в уравнение Дюпре вместо σ₃₂ и σ₃₁ их значения из (5.4), получим уравнение Дюпре — Юнга

(5.7)

Из соотношения следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твердого тела уменьшается на . Величину принято называть н а т я ж е н и е м с м а ч и в а н и я .

Из уравнения (5.7) следует, что на отрыв жидкости от поверхности твердого тела при полном смачивании, когда , затрачивается работа , необходимая для образования двух жидких поверхностей.

Это значит, что при полном смачивании жидкость отрывается не от поверхности твердого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т. е. при полном смачивании .

Для гидрофобных поверхностей характерно соотношение , т. е. жидкость может отрываться от поверхности. При = 180°, т. е. при полной несмачиваемости жидкостью поверхности твердого тела, работа адгезии равна нулю. Следовательно, работа адгезии может служить показателем смачиваемости или прилипаемости жидкостей к поверхности твердого тела.

Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, количество которого зависит от природы поверхности и смачивающих её жидкостей.

Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твердого тела и природу его поверхности. Большее количество тепла выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твердую поверхность. Поэтому отношение теплот смачивания жидкости может служить термической характеристикой смачиваемости этой поверхности.

Более определенно степень гидрофильности или гидрофобности поверхности горных пород оценивают путем сравнения теплоты смачивания керна водой с теплотами смачивания полностью гидрофобизованной и гидрофилизованной породы. Среднее значение теплот смачивания нефтенасыщенных кернов ряда нефтяных месторождений Западной Сибири колеблется от 6,3 до 24,4 кДж/кг.

Поверхность горных пород отличается значительной неоднородностью по смачиваемости. Это можно объяснить многими причинами. Большое влияние на свойства поверхностей оказывают процессы адсорбции, которые зависят от большого многообразия факторов, связанных как с составом пластовых жидкостей и пород, так и с условиями их контакта в пласте. Свойства поверхности минералов, кроме явлений адсорбции, зависят и от процессов химического взаимодействия жидкостей и минералов, ионного обмена, растворения и электрокинетических явлений. Значительно влияет на эти процессы сложное строение самой поверхности минералов. Вследствие влияния на свойства поверхности горных пород большого числа факторов, избирательная смачиваемость их пластовыми жидкостями может изменяться в широких пределах. Некоторые породы, по-видимому, полностью гидрофобизованы нефтью. Большинство же исследованных коллекторов газовых месторождений сложены гидрофильными породами.

Лекция 10