4.3.4 Смачивание и несмачивание

При рассмотрении молекулярной картины поверхностного слоя жидкости мы отмечали, что молекулы жидкости, расположенные на поверхности, разделяющей жидкость и газ (воздух или пар этой жидкости), почти не притягиваются молекулами газа (концентрация молекул газа слишком мала). Если же среда, с которой граничит рассматриваемая жидкость, достаточно плотная, то пренебрегать взаимодействием ее молекул с молекулами жидкости нельзя. Из-за этого коэффициенты поверхностного натяжения данной жидкости, граничащей с различными средами, могут значительно различаться между собой. Например, при комнатной температуре коэффициент поверхностного натяжения воды на границе вода-бензол =0,033, а на границе вода-эфир =0,012, на границе воды с собственным паром  =0,073 Н/м.

Поверхностное натяжение на границе различных сред играет важную роль в разнообразных поверхностных явлениях. Рассмотрим поверхностные явления, возникающие при соприкосновении жидкости с твердым телом. Если жидкость находится в сосуде, то, кроме свободной поверхности, существует еще граница раздела между жидкостью и твердым телом – стенками сосуда. Молекулы жидкости, соприкасающиеся со стенкой сосуда, взаимодействуют со своими ближайшими соседями, как жидкости, так и твердого тела. Если сила взаимодействия молекулы жидкости с молекулой жидкости больше силы взаимодействия молекулы жидкости с молекулой твердого тела, то результирующая сила направлена вглубь жидкости (см. рис.4.8).

Рисунок 4.8

Такую жидкость называют несмачивающей. Свободная поверхность жидкости у краев стенки сосуда будет выпуклой. Если сила взаимодействия молекулы жидкости с молекулой жидкости меньше силы взаимодействия молекулы жидкости с молекулой твердого тела, то результирующая сила, действующая на молекулу жидкости, находящуюся у стенки твердого тела, направлена вглубь твердого тела, т.е. молекула жидкости как бы прилипает к твердому телу. Такие жидкости называют смачивающими (см. рис.4.9). Свободная поверхность жидкости у краев стенки сосуда будет вогнутой.

Рисунок 4.9

Количественной оценкой смачивания служит краевой угол. Краевым углом называется угол Q, составленный стенкой сосуда и касательной к поверхности жидкости, проведенной из точки пересечения поверхности жидкости со стенкой сосуда. Угол отсчитывается всегда вовнутрь жидкости (см. рис.4.10). При смачивании твердого тела жидкостью краевой угол лежит в пределах: . Полное смачивание бывает, тогда, когда краевой угол равен нулю .

Рисунок 4.10

Если жидкость является несмачивающей, то краевой угол лежит в пределах . Полное несмачивание бывает в том случае, когда краевой угол равен .

4.3.5 Зависимость молекулярного давления от кривизны поверхности жидкости

Взаимодействие частиц жидкости с частицами твердого тела влияет на форму поверхности жидкости, налитой в сосуд. У самых стенок сосуда поверхность жидкости искривлена (см.рис.4.8, 4.9). В узких трубках (капиллярах) или в узком зазоре между двумя стенками искривлена вся поверхность жидкости. Если жидкость смачивает стенки, поверхность имеет вогнутую форму (см.рис.4.11а), если не смачивает, то выпуклую (рис.4.11б). Изогнутые поверхности жидкости в сосудах называются менисками. Благодаря действию сил поверхностного натяжения давление внутри жидкости будет отличаться на некоторую величину p от внешнего давления газа или пара над поверхностью жидкости.

Рисунок 4.11

Оценим величину дополнительного давления в случае сферического поверхностного слоя. Выделим на поверхности сферы малый сферический сегмент. Силы поверхностного натяжения, приложенные к контуру этого сегмента, направлены по касательной к сферической поверхности (см.рис.4.12). К элементу контура l, изображенному жирной дугой, приложена сила f, равная по абсолютной величине .

Найдем составляющую f₁ этой силы, параллельную радиусу кривизны ОС. Из рисунка имеем .

Именно эта составляющая и создает добавочное давление. Мы нашли составляющую силы поверхностного натяжения, действующую на элемент контура l. Полная сила, приложенная к контуру и создающая добавочное давление, очевидно, равна

Рисунок 4.12

Из чертежа следует, что , и, значит,

.

Добавочное давление p получим, разделив силу

f₁ на площадь сегмента , итак,

. (4.4)

Соотношение (4.4) дает величину добавочного давления под сферической поверхностью и носит название формулы Лапласа. В случае вогнутой поверхности жидкости, результирующая сила поверхностного натяжения направлена из жидкости в газ (пар). В этом случае , т.е. давление внутри жидкости под вогнутой поверхностью меньше, чем в газе над поверхностью жидкости на величину р.

В общем случае произвольной поверхности двоякой кривизны формула Лапласа может быть обобщена:

.

В зависимости от значений и знаков радиусов кривизны R₁ и R₂ величина дополнительного давления р может оказаться положительной и отрицательной.