8.4. Явления на границе жидкости и твердого тела

Твердые тела, как и жидкости, обладают поверхностным натяжением.

При рассмотрении явлений на границе раздела различных сред следует иметь в виду, что поверхностная энергия жидкости или твер­дого тела зависит

• не только от свойств данной жидкости или твердого тела,

• но и от свойств того вещества, с которым они граничат.

Рис. 6.С трого говоря, нужно рассматривать суммарную поверхностную энергию двух граничащих друг с другом веществ Только если одно вещество газообразно, химически не реагирует с другим веществом и мало в нем растворяется, можно говорить просто о поверхностной энергии (или коэффициенте поверхностного натяжения) второго жидкого или твердого тела.

Р

Рис. 7.

Рис. 8.

ис. 7. Если граничат друг с другом сразу три вещества: твердое, жидкое и газообразное то вся система принимает конфигурацию, соответствующую минимуму суммарной энергии (поверхностной, в поле сил тяжести и т. п.). В частности, контур, по которому граничат все три вещества, располагается на поверхности твердого тела таким образом, чтобы сумма проекций всех 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), была равна нулю.

Из рис. 7 следует, что условие равновесия элемента контура длиной ∆ запишется следующим образом:

,

где , и — коэффициенты поверхностного натяжения на границах: твердое тело — газ, твердое тело — жидкость и жидкость — газ.

Отсчитываемый внутри жидкости угол между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости называется краевым углом:

(5)

Краевой угол определяется выражением (5) только при условии, что

(6)

Если это условие не выполняется, т. е. | α_т,г — α_т,ж | > α_ж,г, ни при каком значении не может установиться равновесие. Это имеет место в двух случаях.

1) α_т,г > α_т,ж + α_ж,г. (рис. 9. а).

- Как бы ни был мал угол , сила α_т,г перевешивает две другие

- В этом случае жидкость неограниченно растекается по поверхности твердого тела — имеет место полное смачивание. Замена поверхности твердое тело — газ двумя поверхностями, твердое тело — жидкость и жидкость — газ, оказывается энергетически выгодной.

- При полном смачивании краевой угол равен нулю.

2) α_т,ж > α_т,г + α_ж,г. (рис. 9. б).

- Как бы ни был угол близок к π, сила α_т,ж перевешивает две другие

-

Рис. 9.

В этом случае поверхность, по которой жидкость граничит с твердым телом, стягивается в точку, жидкость отделяется от твердой поверхности — имеет место полное несмачивание.

- Замена поверхности твердое тело — жидкость двумя поверхностями, твердое тело — газ и жидкость — газ, оказывается энергетически выгодной.

- При полном несмачивании краевой угол равен π.

При соблюдении условия (6) краевой угол может оказаться острым или тупым в зависимости от соотношения между α_т,г и α_т,ж.

• Рис. 10.а).Если α_т,г больше, чем α_т,ж, то cos > 0 и угол — острый

В этом случае имеет место частичное смачивание.

• Р ис. 10. б). Если α_т,г меньше, чем α_т,ж, то cos < 0 и угол — тупой.

В этом случае имеет место частичное несмачивание.

Н

Рис. 10.

Рис. 11.

есмачивание может приводить к любопытным явлениям.

ПРИМЕР:

1. Известно, что смазанная жиром иголка или бритвенное лезвие могут держаться на поверхности воды.

Объяснение этого, на первый взгляд удивительного, явления проще всего дать, исходя из энергетических соображений:

- . Смазанная жиром поверхность стали не смачивается водой; поверхность соприкосновения сталь — вода обладает гораздо большей энергией, чем поверхность сталь — воздух или воздух — вода.

- Полное погружение иглы в воду сопровождается увеличением поверхностной энергии от значения Sα_т,г (сталь —воздух) до значения Sα_т,ж (сталь — вода), где S — поверхность иглы.

- Изменение поверхностной энергии при погружении описывается изображенной на рис. 11 кривой E_пов. Буквой h обозначена высота иглы над дном сосуда;

h₀ — высота поверхности жидкости над уровнем дна.

Зависимость от h потенциальной энергии иглы в поле земного тяготения E_тяг имеет вид прямой, проходящей через начало координат.

- Полная энергия E_полн, равная сумме E_пов и E_тяг, имеет минимум при h = h₀, что и дает возможность игле плавать на поверхности воды.

- Если, нажав па иглу, погрузить ее на такую глубину, чтобы полная энергия прошла через максимум и стала уменьшаться, то игла дальше будет погружаться сама и утонет.

2. Аналогично объясняется возможность «носить воду в решете».

Р

Рис. 12.

ис. 12. Если вода не смачивает решето (этого можно добиться, покрыв нити, из которых сплетено решето, парафином) и слой воды не очень велик, то небольшое перемещение уровня жидкости вниз будет сопровождаться увеличением поверхностной энергии, превосходящим по величине уменьшение энергии в поле сил тяготения. Поэтому вода будет удерживаться в решете, не проливаясь.