Характеристика процесса смачивания
1.1 Основной закон смачивания
Феноменологическую (капиллярную) теорию смачивания создали Юнг(1804 год) и Лаплас(1805 год). Количественной мерой смачивания служит краевой угол между касательной АВ к искривленной поверхности жидкости и смоченной поверхностью АА (рис.2).
рис.2. Краевой угол капли жидкости (ж) на твердой поверхности (т), третья фаза - газ(г)
Граничный контур (периметр основания капли) называется линией трехфазного контакта (ЛТК). Этот термин подчеркивает, что в смачивании участвуют три фазы 1) твердое тело, 2) смачивающая жидкость, 3)фаза -“предшественник” , которая находилась в контакте с твердой поверхностью до подвода жидкости. Далее будет рассматриваться случай газовой фазы. Однако это может быть и другая жидкость, которая не смешивается с первой.
Центральное положение теории Юнга-Лапласа: краевой угол определяется конкуренцией двух сил, действующих на ЛТК. Одна сила - это притяжение молекул жидкости к ближайшим молекулам жидкости на поверхности капли. В расчете на единицу длины ЛТК это сила поверхностного натяжения жидкости ( в мН/м).
Другая сила создается притяжением тех же молекул ЛТК к ближайшим молекулам на поверхности твердое тело-газ. Эта сила направлена вдоль поверхности твердого тела во внешнюю сторону от ЛТК. Юнг назвал ее силой адгезии ( в мН/м) (adhesion-прилипание). Равновесный краевой угол 0 находят из условия механического равновесия на ЛТК.
Фундаментальный закон смачивания в формулировке Юнга имеет вид
cos0=, (1)
По словам Максвелла, “методы рассуждения Юнга всегда корректны и весьма изящны, но очень затруднительны из-за педантичного игнорирования математических символов”.
В более общей форме равновесный краевой угол определяется термодинамически (Гиббс, 1878 год) из условия минимальности свободной поверхностной энергии Fn трехфазной системы твердое тело-жидкость-газ. В случае капли:
Fn=, (2)
где ( в м2 )-площади контакта фаз твердое тело-газ, твердое тело-жидкость, жидкость - газ, ( в мДж/м2 )-удельные свободные энергии этих поверхностей. Для жидкостей численные значения поверхностного натяжения и поверхностной энергии совпадают, то есть ||=|жг|.
Из условия Fn = min следует
сos0 = (тг -- тж)/ жг, (3)
Это уравнение представляет современную формулировку основного закона смачивания.[3]
Измеряя величину угла 0, оценивают лиофильность и лиофобность поверхностей по отношению к различным жидкостям. Различают три случая контактного взаимодействия жидкостей с поверхностью твердых тел: 1) несмачивание, когда 90° <0 < 180° (например, ртуть на стекле, вода на парафине): 2) ограниченное смачивание, когда 0° < 0 < 90° (например, вода на оксидах металлов); 3) полное смачивание, когда капля растекается в тонкую пленку (ртуть на свинце). В первом случае поверхность по отношению к данной жидкости лиофобна (от греч. - + - страх - боящаяся растворения), а во втором -- лиофильна (от греч. - - разбираю на части + - люблю - любящая растворение).