8.3 Смачивание. Капиллярные явления

Если при соприкосновении жидкости с твердым телом взаимодействие между их молекулами более сильно, чем взаимодействие между молекулами самой жидкости, то жидкость будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и растечется по твердому телу. В этом случае говорят, что жидкость смачивает твердое тело. Если же взаимодействие между молекулами твердого тела и молекулами соприкасающейся с ним жидкости слабее, чем между молекулами самой жидкости, то жидкость будет стремиться сократить поверхность соприкосновения с твердым телом. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает твердое тело.

Одна и та же жидкость смачивает одни твердые тела и не смачивает другие. Например, вода смачивает стекло и не смачивает чистую поверхность железа.

Угол между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости , отсчитываемый внутри жидкости, называют краевым (рис.8.4). Обозначим силы поверхностного натяжения ₁₃ – между жидкостью и воздухом, ₂₃ – между твердым телом и воздухом, ₁₂ – между твердым телом и жидкостью. Если ₂₃ > ₁₃, то ни при каком значении краевого угла  равновесия не будет и капля растечется по поверхности твердого тела, покрывая ее тонким слоем. Это явление называют полным смачиванием.

Если ₁₂  ₁₃ + ₂₃, то тогда жидкость приобретает форму эллипсоида и будет полное не смачивание.

Равновесие наступит при условии:

(8.14)

Если ₂₃  ₁₂, то cos   и  - острый угол, что соответствует частичному смачиванию; при ₂₃  ₁₂, соs < 0 ,  - тупой, имеет место частичное не смачивание.

В предельных случаях cos = +1, полное смачивание, cos = -1, полное не смачивание.

Поверхность смачивающейся жидкости, находящейся в узких трубках (капиллярах), принимает вогнутую форму, а не смачивающей жидкости – выпуклую форму, которые называются менисками.

Рассмотрим случай, когда капилляр погружен одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд. Если капилляр представляет собой круглую цилиндрическую трубку с радиусом канала «r» и жидкость смачивает его стенки, то мениск будет иметь сферическую форму (рис. 8.5).

Давление под мениском будет на р меньше, чем в широком сосуде, где поверхность практически плоская. В капилляре жидкость за счет р поднимается на высоту h, при которой вес столба жидкости уравновесит дополнительное отрицательное давление р, обусловленное кривизной мениска:

р = gh (8.15)

Из рисунка 8.5 видно, что R = r/cos и:

(8.16)

Или:

(8.17)

Таким образом, высота поднятия смачивающей жидкости тем больше, чем уже капилляр.

Явление смачивания и не смачивания, а также капиллярные явления играют большую роль в природе, а также в технике. Смачивание используют для покрытия твердых тел краской, изоляционными материалами и т.д.

Капиллярные явления играют важную роль в жизни растений. Они во многом определяют водный режим почв. Капиллярные явления можно наблюдать при втягивании чернил в промокательную бумагу, при вытирании рук полотенцем и т.д.