2.3.3 Капиллярность

Вода самопроизвольно поднимается в стеклянном капилляре (рисунок 2.4), поскольку в присутствии воздуха стекло смачивается водой. Жидкости, подобные ртути, не смачивают стекло, и потому в стеклянном капилляре самопроизвольно не поднимаются; для их подъема необходимо приложить давление. Иными словами, капиллярное давление в этом случае отрицательно.

Аналогично, стекло предпочтительно смачивается водой по сравнению с большинством нефтей. Вода будет самопроизвольно вытеснять нефть из стеклянного капилляра, в то время как для вытеснения воды нефтью необходимо приложить определенное давление. Эти явления оказывают значительное влияние на относительные проницаемости коллекторов нефти и газа и на ухудшение продуктивности скважин под воздействием фильтрата буровых растворов.

2.3.4 Свободная поверхностная энергия

Поверхностные явления можно также рассматривать с точки зрения изменения свободной поверхностной энергии. Поверхностная энергия существует на любой границе раздела фаз в связи с отсутствием равновесия зарядов вокруг молекул в пограничном слое. Если жидкость смачивает поверхность, свободная поверхностная энергия самопроизвольно снижается, в результате чего выполняется определенная работа (например, происходит подъем воды в стеклянном капилляре). Создание новых поверхностей, сопровождается увеличением свободной поверхностной энергии. Например, когда твердое тело разрушается, химические связи разрываются, и благодаря этому возникает электростатический поверхностный заряд. Поэтому для разрушения твердого тела или создания новых поверхностей другими способами необходимо совершить определенную работу.

Удельная свободная поверхностная энергия - это работа, выполняемая при образовании единицы новой поверхности раздела фаз. Как и поверхностное натяжение, она выражается в динах на сантиметр или в ньютонах на метр, и значения этих величин численно равны.

2.3.5 Адгезия

Жидкость будет прилипать к твердому телу, если притяжение ее молекул к поверхности этого тела больше, чем притяжение между молекулами жидкости. Иными словами, для этого необходимо, чтобы работа адгезии была больше работы когезии. Термодинамически этот критерий можно выразить следующим образом:

Wadh=Fs+Ft Fst (2.8)

где: Wadh, — работа адгезии;

Fs — свободная поверхностная энергия твердого тела;

Ft — свободная поверхностная энергия жидкости;

Fst — свободная поверхностная энергия на вновь образованной границе раздела.

Работа когезии — это работа растекающейся жидкости; как следует из уравнения (2.8.), она должна быть равна 2Ft;.

Поэтому критерием адгезии является выражение

Wadh - Wcoh = Fs ­ Ft ­ Fst, (2.9)

где: Wcoh — работа когезии.

Следовательно, жидкость прилипает, когда

Fs > Ft t + Fst,. (2.10)

Силы притяжения действуют и между поверхностями двух твердых тел, но они не слипаются, когда их прижимают друг к другу, так как эти силы проявляются на весьма небольшом расстоянии (составляющем несколько десятых нанометра), а площадь плотного контакта очень мала. Даже две гладкие, хорошо отполированные поверхности имеют микронеровности и контактируют только по микровыступам, как показано на рисунок 2.8.

Клей связывает твердые поверхности, поскольку в жидком состоянии заполняет микронеровности, а затем, при высыхании или схватывании, развивает достаточную прочность сцепления. Твердые тела также могут соединиться друг с другом, если они обладают достаточной пластичностью, чтобы образовался плотный контакт под воздействием внешней нагрузки.

Рисунок 2.8 - Схема контактирования поверхности двух твёрдых тел