6.11. Смачивание и несмачивание на границе жидкость-жидкость и твердое тело-жидкость

Явления, которые возникают на границе двух несмешивающихся жидкостей, определяются силами поверхностного натяжения. Хорошо известно, что разные жидкости ведут себя по-разному. Так, капля масла, помещенная на поверхность воды, принимает форму линзы, а капля бензина растекается на поверхности воды, образуя очень тонкую пленку.

Рассмотрим условия, при которых реализуется та или другая ситуация. Пусть имеем границу трех сред: жидкость 1 граничит с жидкостью 2, жидкости 1 и 2 граничат со средой 3, которая представляет собой смесь воздуха и паров жидкостей 1 и 2.

Рис. 6.21

Рассмотрим случай, когда капля жидкости 2 под действием силы тяжести втягивается в жидкость 1, приобретая форму линзы (рис. 6.21). Граница соприкосновения трех сред представляет собой окружность. На каждый элемент длины Δl этой окружности действуют три силы:

, , .

(6.29)

Все эти силы направлены по касательным к поверхностям соприкосновения граничащих сред, – коэффициенты поверхностного натяжения на соответствующих границах раздела.

Поскольку газовые среды оказывают слабое влияние на поверхностное натяжение граничащей с ними жидкости, то можно приблизительно считать, что и . Капля жидкости 2 будет находиться в равновесии при условии, что все действующие на нее силы друг друга взаимно уравновешивают. Спроектировав все действующие на каплю 2 силы на горизонтальное и вертикальное направления, получаем

(6.30)

Используя выражения (6.29), равенства (6.30) можно представить в виде:

(6.31)

Возведя в квадрат последние соотношения и сложив их, получаем:

(6.32)

Используя обозначение , равенство (6.32) можно записать в виде:

(6.33)

Полученное равенство показывает, что угол θ определяется значениями коэффициентов поверхностного натяжения, то есть, в конечном счете, силами молекулярного взаимодействия между молекулами каждой жидкости и молекулами граничащих с ней сред.

Очевидно, что при некотором соотношении между может возникнуть ситуация, при которой cosθ окажется равным единице. Это означает, что угол θ равен нулю. Значение краевого угла θ = 0 соответствует условию, при котором жидкость 2 растекается по поверхности жидкости 1 в виде очень тонкой пленки. В этом случае принято говорить, что жидкость 2 полностью смачивает жидкость 1. Таким образом, полное смачивание наблюдается при выполнении условия

(6.34)

В том случае, когда выполняется неравенство

(6.35)

капля жидкости 2 на поверхности жидкости 1 будет стягиваться до тех пор, пока не наступит ситуация, соответствующая выполнению условия

(6.36)

Это условие определяет положение жидкости 2 на поверхности жидкости 1 в виде двояковыпуклой линзы, как это представлено на рис. 6.21.

Рассмотрим условия смачивания и несмачивания на границе жидкости с твердым телом. Следует отметить, что поверхностным натяжением обладают не только жидкости, но и твердые тела. Наличие в твердых телах строго периодической кристаллической структуры свидетельствует о наличии в них сил притяжения между молекулами. Благодаря наличию этих сил поверхностное натяжение возникает и в твердых телах.

Рис. 6.22

Пусть капля жидкости 2 помещена на поверхность твердого тела 1 (рис. 6.22). На рисунке указаны силы поверхностного натяжения, действующие на границе жидкость-твердое тело ( ), жидкость-газ ( ) и твердое тело-газ ( ). Ясно, что поведение капли на поверхности твердого тела зависит от величины этих сил.

Рассмотрим два случая. Если

,

(6.37)

то жидкость 2 растекается по поверхности тела 1 до образования очень тонкой пленки вплоть до образования мономолекулярного слоя. При выполнении этого условия наступает полное смачивание жидкостью поверхности твердого тела. Угол θ при этом равен 0. Если при некотором соотношении между , а также значении оказывается справедливым равенство

,

(6.38)

то имеет место так называемое неполное смачивание. Жидкость 2 растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не выполнится равенство (6.38).

Рис. 6.23

Угол θ при этом является острым (рис. 6.23а). Некоторые жидкости на поверхности твердого тела образуют капли, равновесная форма которых определяется неравенством

.

(6.39)

При этом угол θ является тупым углом (рис. 6.23б). Силы и стремятся придать капле сферическую форму, чему препятствует действующая на каплю сила тяжести. В этом случае имеет место частичное несмачивание.

В реальной ситуации при взаимодействии жидкости с твердым телом реализуются, как правило, две возможности – либо частичное смачивание , либо частичное несмачивание .

Это интересно