20. Явления на границе жидкости и твёрдого тела. Капиллярные явления.

Рассмотрим условия смачивания и несмачивания на границе жидкости с твердым телом. Следует отметить, что поверхностным натяжением обладают не только жидкости, но и твердые тела. Наличие в твердых телах строго периодической кристаллической структуры свидетельствует о наличии в них сил притяжения между молекулами. Благодаря наличию этих сил поверхностное натяжение возникает и в твердых телах.

Рис. 6.22

Пусть капля жидкости 2 помещена на поверхность твердого тела 1 (рис. 6.22). На рисунке указаны силы поверхностного натяжения, действующие на границе жидкость-твердое тело ( ), жидкость-газ ( ) и твердое тело-газ ( ). Ясно, что поведение капли на поверхности твердого тела зависит от величины этих сил.

Рассмотрим два случая. Если

то жидкость 2 растекается по поверхности тела 1 до образования очень тонкой пленки вплоть до образования мономолекулярного слоя. При выполнении этого условия наступает полное смачивание жидкостью поверхности твердого тела. Угол θ при этом равен 0. Если при некотором соотношении между , а также значении оказывается справедливым равенство

то имеет место так называемое неполное смачивание. Жидкость 2 растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не выполнится равенство (6.38).

Рис. 6.23

Угол θ при этом является острым (рис. 6.23а). Некоторые жидкости на поверхности твердого тела образуют капли, равновесная форма которых определяется неравенством .

При этом угол θ является тупым углом (рис. 6.23б). Силы и стремятся придать капле сферическую форму, чему препятствует действующая на каплю сила тяжести. В этом случае имеет место частичное несмачивание.

В реальной ситуации при взаимодействии жидкости с твердым телом реализуются, как правило, две возможности – либо частичное смачивание , либо частичное несмачивание .

Капиллярные явления.

Капиллярные явления, физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К К. я. относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с др. жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности ведёт к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления Dp, величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа: Dp = p1 — p2. = 2s12/r, где (s12 — поверхностное натяжение на границе двух сред; p1 и p2 — давления в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе) 2. В случае вогнутой поверхности жидкости (r < 0) давление в ней понижено по сравнению с давлением в соседней фазе: p1< p2 и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r > 0) знак Dp меняется на обратный. Капиллярное давление создаётся силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведёт к появлению составляющей, направленной внутрь объёма одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела (r = ¥) такая составляющая отсутствует и Dp = 0.

К. я. охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием межмолекулярных сил и внешних сил (в первую очередь силы тяжести).

В простейшем случае когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости ограниченный объём жидкости, не соприкасающейся с др. телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объёме, и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна.

Многие свойства дисперсных систем (проницаемость, прочность, поглощение жидкости) в значительной мере обусловлены К. я., т.к. в тонких порах этих тел реализуются высокие капиллярные давления.

21. Диффузия в жидких и твёрдых телах.

Диффузия — Диффузия называется частичное распространение тел друг в друга, результатом чего является полная однородность системы, в начале разнородной. Диффузия происходит в жидкостях, газах и твердых телах. Различаются эти явления не по первоначальному состоянию системы, а по той среде, в которой происходят. Так, к явлению Диффузия в жидкостях относится и тот случай, когда первоначально взятое твердое тело перешло в жидкую среду путем растворения.

1. Диффузия в жидкостях.

В большой цилиндр, наполненный чистой водой, опустим маленький стакан с раствором поваренной соли, закрытый в момент опускания стеклянной пластинкой, и снимем последнюю после того, как стаканчик поставлен на дно цилиндра. Спустя несколько часов можно обнаружить, что известное количество соляного раствора перешло в чистую воду и, наоборот, такое количество раствора заместилось в стаканчике чистой водой. Гей-Люссак доказал, что подобное явление не происходит от перемешивания, вследствие токов в жидкости, которые могут происходить от хотя бы и незначительной разницы температур различных частей жидкости. Явление Диффузия совершается против действия силы тяжести: тяжелый раствор, находящийся под слоем более легкой жидкости, распространяется в последней. Это распространение идет от места высшей к месту низшей концентрации, подобно тому как в неодинаково нагретом теле тепло переходит из места высшей к месту низшей температуры. Аналогия между теплопроводностью и Диффузия была указана еще в 1803 г. Бертолетом; будучи развита в 1855 г. Фиком, она дала величину для меры Диффузия При теплопроводности в однородной стенке, две стороны которой удерживаются при постоянных температурах а и b, количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу поверхности плоскости, параллельной сторонам, пропорционально разности температур а — b и обратно пропорционально толщине стенки l, согласно формуле

q = k[(а — b)/l]

где k называется коэффициентом теплопроводности. Стоит в указанной формуле заменить количество перешедшего тепла количеством продиффундировавшего вещества, разность температур — разностью концентраций, — и мы получим формулу, выражающую закон распространения тела в жидкости путем Диффузия Согласно формуле, коэффициент Диффузия есть количество данного вещества, которое в единицу времени проходит через единицу сечения слоя, высота которого равна единице, при разности концентраций оснований также равной единице. концентрация на конце трубки в течение всего опыта равна нолю.

Диффузия в твердых телах

Переходными от жидких тел к твердым являются вещества, так сказать, полужидкие. Известно, что сильное давление заставляет твердое тело переходить в подобное состояние, причем это твердое тело обладает уже свойством жидкости, именно — подвижностью. Шпринг выдвинул в этом случае влияние Диффузия на первый план. При сжимании двух солей серно-кислого бария и углекислого натрия он нашел, что между ними происходит реакция, при которой в течение 7 дней идет превращение от 73% до 80%. Подобная реакция указывает, что под влиянием сильного давления происходит Диффузия в твердых телах, подобно тому, как это имеет место в газах и жидкостях. Весьма наглядно явление Диффузия в твердых телах обнаруживается при электролизе. Гор показал, что, если снять верхний слой меди, осажденной на платине, то оказывается, что медь проникла вглубь металла. Весьма известно также наблюдение, что цинковые листы, покрытые тонким слоем меди, становятся белыми от времени, что может быть объяснено прониканием меди в цинк. Нернст доказал, что в твердых телах при действии тока происходит движение ионов, причем оказалось, что скорость движения и постоянная Диффузия связаны между собой и могут быть вычислены одна из другой.