5. 3. Смачивание. Краевой угол. @

Если опустить стеклянную палочку в ртуть, а затем вынуть ее, то ртути на ней не окажется. Если же опыт повторить с водой, то палочка будет влажной и на ее конце останется капля воды. Это объясняется тем, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стекла, а притяжение между молекулами воды слабее, чем между молекулами стекла. Говорят, что вода смачивает стекло, а ртуть – не смачивает. Явления смачивания и поверхностного натяжения взаимосвязаны.

П

Рис.5.1. Капля жидкости на твердой поверхности

а) смачивание; б) несмачивание.

оверхностное натяжение свойственно не только жидкостям, но и твердым телам. В общем же случае поверхностное натяжение на границе двух сред 1 и 2 следует характеризовать величиной σ₁₂, зависящей от свойств обеих сред. Если граничат друг с другом три различных вещества: твердое, жидкое и газообразное (рис.5.1), то система принимает конфигурацию, соответствующую минимуму поверхностной энергии. При этом равновесие для контура, ограничивающего жидкость на твердом теле, имеет место при выполнении условия σ_тг= σ_тж+ σ_жгcosθ, где σ_тг, σ_тжи σ_жг– поверхностные натяжения на границах: твердое тело – газ, твердое тело – жидкость и жидкость – газ.

Угол θ между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости называется краевым углом. Этот угол может быть и острым, и тупым в зависимости от значений σ_тг и σ_тж. Если σ_тг > σ_тж, тоcosθ>0 и угол θ острый, т.е. жидкость смачивает твердую поверхность (рис.5.1а). Если σ_тг <σ_тж, тоcosθ<0 и угол θ тупой и жидкость не смачивает твердую поверхность (рис.5.1б). Если θ=0, то имеет место полное смачивание – жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (как керосин на поверхности стекла). Полное несмачивание наблюдается, если жидкость образует на твердом теле шаровую каплю, имея с твердой поверхностью лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т.е. жидкость может смачивать одну твердую поверхность и не смачивать другую. Ртуть, например, не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания широко используются в технике. Например, в процессе отделения руды от пустой породы ее, мелко раздробленную, взбалтывают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидкостью частицы породы опускаются на дно, а крупинки руды “прилипают” к пузырькам воздуха и всплывают на поверхность.

5. 4. Поверхностное испарение и кипение жидкостей. @

При наличии свободной поверхности отдельные молекулы жидкости, обладающие избытком кинетической энергии, вырываются наружу и, таким образом, жидкость испаряется. Если ей не подводить тепло извне, внутренняя энергия молекул понижается и жидкость охлаждается. Над поверхностью жидкости образуется пар, часть молекул которого может переходить в жидкость. Равенство скорости испарения и скорости обратной конденсации пара соответствуют динамическому равновесию. При этом пар над поверхностью считается насыщенным и его давление зависит от температуры.

Жидкость испаряется с открытой поверхности при любой температуре, при этом испарение происходит на границе раздела жидкости и пара. Помимо поверхностного испарения жидкость может испытывать также объемное испарение, т.е. интенсивное образование при нагревании пузырьков насыщенного пара по всему объему, которое называется кипением. Кипение – это фазовый переход I рода.

Кипение начинается при равенстве внешнего давления и давления насыщенного пара в пузырьках внутри жидкости. При заданном постоянном внешнем давлении кипение происходит при определенной температуре Т_к, называемой температурой кипения, при этом парообразование происходит во всем объеме жидкости. Для кипения жидкости необходимы два условия: 1). наличие в ней парогазовых пузырьков; 2). повышение температуры до Т_ки сообщение жидкости при этой температуре теплоты. Если жидкость полностью лишена пузырьков (зародышей газовой фазы), в ней отсутствуют полости, где могли бы накапливаться пары и поэтому кипение не происходит. В процессе кипения ее температура Т_костается неизменной, поскольку подводимая теплота полностью идет на парообразование. Чем меньше внешнее давление, тем меньше Т_к.

5. 5. Жидкие растворы. @

Многие жидкости являются хорошими растворителями (вода, бензин, скипидар и др.). В жидкостях могут растворяться твердые вещества, а также жидкости и газы. При образовании раствора молекулы растворенного вещества равномерно распределяются между молекулами растворителя, в результате образуется однородная по своим свойствам система.

Растворение является следствием взаимодействия молекул растворенного вещества с молекулами растворителя, при этом в случае растворения твердых веществ или жидкостей происходит разделение частиц растворяемого вещества и их сближение с частицами растворителя. Разделение частиц требует затраты энергии, а сближение сопровождается ее выделением. Поэтому растворение, как правило, сопровождается тепловым эффектом – поглощением или выделением теплоты. Растворение спирта в воде, например, сопровождается выделением теплоты и нагревом раствора. Растворение же сахара в воде вызывает охлаждение раствора: при растворении поглощается теплота. Это объясняется тем, что в первом случае энергия взаимодействия однородных молекул меньше, чем разнородных, а во втором случае наоборот.

Жидкие растворы находят широчайшее применение в различных областях народного хозяйства: в лакокрасочной промышленности – для приготовления красок, олиф, лаков; в производстве полимеров, клеев, синтетических волокон; в пищевой промышленности – при приготовлении сиропов, карамели, для экстракции растительных жиров и т.д. Растворение газообразных веществ, например, углекислого газа в воде, широко используется при производстве газированных напитков и минеральных вод.