17.4. Поверхностные явления на границе раздела двух жидкостей или жидкости и твердого тела

Рассматривая поверхностные явления, мы пренебрегали взаимодействием между молекулами жидкости и молекулами пара или газа над ее поверхностью. Оказывается, что если поверхность одной жидкости образует границу раздела с поверхностью другой жидкости или поверхностью твердого тела, то пренебрегать этими силами взаимодействия нельзя. В этом случае коэффициенты поверхностного натяжения одной и той же жидкости значительно изменяется с изменением сред, с которыми соприкасается данная жидкость. Например, если вода при комнатной температуре граничит с бензолом то = 0,033 Н/м, с эфиром -  = 0,012 Н/м, с собственным паром -  = 0,073 Н/м.

Рассмотрим поверхностные явления, происходящие на границе раздела двух не смачивающихся жидкостей. В каждой точке периметра капли 1, находящейся на поверхности среды 2 будет действовать три силы поверхностного натяжения: F₁₂, F₁₃, F₂₃, направленные по касательным к соответствующим границам раздела сред. Равнодействующая сил поверхностного натяжения F₁₂ и F₁₃ направлена внутрь капли и стремится стянуть ее. Сила поверхностного натяжения F₂₃ стремится растянуть эту каплю. Условие равновесия капли на поверхности жидкости 2 можно записать так

, (17.27)

где т.е.

. (17.28)

Поделив выражение (17.28) на длину периметра капли l, будем иметь

или . (17.29)

Если учесть, что максимальное значение ₁= ₁₂ + ₁₃, то при ₁₂₃ равновесие капли на поверхности другой жидкости возможно, а при ₁<₂₃ капля растекается по поверхности в виде тонкой пленки толщиной в один слой молекул. Такие слои называют мономолекулярными. Зная объем растекшейся жидкости и площадь мономолекулярного слоя, можно вычислить размер одной молекулы (10^-10 м).Надо отметить, что углы  и  внутри капли между касательными к ее поверхности и поверхностью жидкости 2 называют краевыми углами.

Если капля жидкости лежит на поверхности твердого тела (рис.17.6), то в каждой точке ее периметра также действуют три силы поверхностного натяженияF₁₂, F₁₃, F₂₃. Результирующая сила

F₁ = F₁₂ + F₁₃

будет стремиться стянуть каплю, а сила F₂₃ - растянуть. Условие равновесия капли в этом случае можно записать так

, (17.30)

где

,

т. е.

(17.31)

или после деления (17.31) на длину периметра капли

или . (17.32)

Из (17.32) можно сделать следующие выводы:

1. Если , то сила F₂₃ будет растягивать каплю до тех пор, пока угол  не уменьшится до значения, при котором наступит условие равновесия (), либо равновесие не наступит. Условие равновесия не наступает в том случае, когда . В этом случае капля растечется в тонкую пленку.

2. Если , то капля стягивается к центру и угол  увеличивается до тех пор, пока не наступит равновесие, либо при больших ₁₂ значениях () капля будет стремиться приобрести сферическую форму.

Таким образом, при остром краевом угле (</2) жидкость растекается по поверхности твердого тела, смачивает его поверхность. Условие смачивания поверхности твердого тела жидкостью

.

Условие абсолютного смачивания

.

При тупом краевом угле ( > /2) капля стремится стянуться в точку. Жидкость не смачивает поверхность твердого тела. В этом случае условие несмачивания имеет вид

.

Условие абсолютного несмачивания можно записать так

.

Не смачиванием объясняется такие явления как "плавание" тяжелых предметов на поверхности жидкости и "перенос воды в решете".