Явления на границе раздела жидкости и твердого тела.

При рассмотрении поверхностных явлений необходимо учитывать, что на самом деле вещество не бывает изолировано от других. Когда граничат два и более веществ учитывают их суммарную поверхностную энергию, и только тогда, если вещества химически не реагируют друг с другом и мало растворимы друг в друге.

Когда граничат сразу три вещества - твердое, жидкое и газообразное, то жидкость всегда принимает такую конфигурацию, при которой сумма потенциальной энергии жидкости в поле сил тяжести и поверхностной энергии всех тел минимальна. В частности, контур, по которому граничат все три вещества, располагается на поверхности твердого тела так, чтобы сумма проекций трех приложенных к каждому элементу контура сил поверхностного натяжения на направление, в котором элемент контура может перемещаться (т.е. на направление касательной к поверхности твердого тела), равнялась нулю (рис. 3).

Условием равновесия будет равенство нулю сил, приложенных к любой точке линии раздела трех сред

, (5)

где s_т-г, s_т-ж, s_ж-г - коэффициенты поверхностного натяжения на границах: твердое тело - газ, твердое тело - жидкость и жидкость ‑ газ;

θ – угол, отсчитываемый внутри жидкости между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости, называется краевым углом.

Из уравнения (5) находим краевой угол -уравнение Юнга, при условии, что .

Если это условие не выполняется, возможны два случая:

1. . В этом случае жидкость неограниченно растекается по поверхности твердого тела θ=0 (рис. 4 а), что соответствует полному смачиванию (например, керосин на поверхности стекла).

2. . В этом случае поверхность, по которой жидкость граничит с твердым телом, стягивается в точку, θ=p (рис. 4 б), что соответствует полному несмачиванию (например, ртуть на стекле).

Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела (силы адгезии) больше, чем между молекулами самой жидкости (силыкогезии), и жидкость стремится увеличить поверхность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы адгезии меньше, чем силы когезии в жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкосновения с твердым телом.

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т.е. жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Форма поверхности жидкости в том месте, где она соприкасается с твердой стенкой и газом, зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда. Изогнутая поверхность жидкости называется мениском. В капиллярах (узких трубках, по которым жидкость может подниматься или опускаться за счет сил поверхностного натяжения) смачивающие жидкости имеют вогнутый мениск (рис. 5), а несмачивающие - выпуклый мениск.

Пример: Капилляр (очень тонкая трубка) радиусом r опущен в жидкость с плотностью r и коэффициентом поверхностного натяжения s (рис. 5). Краевой угол смачивания θ. На какую высоту поднимется жидкость в капилляре?

При своем стремлении к сокращению поверхностная пленка создает добавочное давление. Давление, которое всегда существует внутри жидкости, увеличивается, когда ее поверхность выпуклая, и уменьшается под вогнутой поверхностью.