Смачивание и несмачивание

Свойства жидкости. Поверхностные эффекты Сила поверхностного натяжения

Силы, действующие на молекулу, находящуюся внутри жидкости, в среднем уравновешены. В то же время результирующая сила, действующая на молекулу в пограничном слое, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Поэтому для увеличения размера поверхности (т.е. для увеличения количества молекул, находящихся в поверхностном слое) требуется совершить некоторую работу.

Работа, необходимая для того, чтобы квазистатически и изотермически увеличить площадь поверхности жидкости на единицу при сохранении ее объема неизменным, называется коэффициентом поверхностного натяжения s. Коэффициент s всегда положителен: s > 0. Из этого условия следует, что площадь поверхности двух сред всегда принимает наименьшее из возможных значений. Так, мыльный пузырь принимает шарообразную форму, поскольку при определенном значении объема минимальной площадью поверхности из всех возможных форм обладает шар.

На линию, ограничивающую поверхность, действует сила (сила поверхностного натяжения), направленная внутрь жидкости.

Величина этой силы:

где (l — длина линии.

На рис. изображена сила поверхностного натяжения, действующая на границу пленки жидкости, натянутой на каркас.

Коэффициент поверхностного натяжения характеризует два граничащих вещества и будет различным для разных пар веществ.

Смачивание и несмачивание

На границе соприкосновения различных сред может наблюдаться смачиваниеили несмачивание. На рисунке показана капля жидкости на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости и на поверхности твердого тела. На поверхностях раздела каждых двух сред (1 и 3, 2 и 1, 3 и 2)действуют силы поверхностного натяжения (показаны стрелками). Если эти силы разделить на длину окружности капли (границы трех сред), то получим соответственно σ₁₃, σ₂₁, σ₃₂.

Угол θ между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, отсчитываемый через нее, называют краевым. За меру смачивания принимают величину

Если σ₃₂ < σ₁₃, то , и жидкость смачивает твердое тело, поверхность которого в этом случае называется гидрофильной. В случае σ₃₂ < σ₁₃ , жидкость не смачивает тело, поверхность его в этом случае называют гидрофобной. Несмачивающая жидкость не протекает через малые отверстия в твердом теле. При | σ₃₂ - σ₁₃| > σ₂₁ краевой угол определить нельзя, так как cosθ не может быть больше единицы. В этом случае капля растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всей его поверхности или пока не образу­ется мономолекулярный слой. Такой случай является идеальным смачиванием.

К нему с некоторым приближением можно отнести растекание спирта или воды по чистой поверхности стекла, нефти по воде и пр.

Давление Лапласа

Разность давлений по разные стороны поверхности, характеризующейся двумя радиусами кривизны R₁ и R₂ в двух перпендикулярных направлениях, связана с коэффициентом поверхностного натяжения s(формула Лапласа):

Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривлен и оказывает дополнительное по отношению к внешнему давление Dр. Поверхностный слой подобен упругой оболочке, например резиновой пленке. Результирующая сил поверхностного натяжения искривленной поверхности направлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сферической поверхности, радиус кривизны которой r, дополнительное давление в соответствии с формулой Лапласа