Явление смачивания.

При контакте жидкости с твердым телом вследствие межмолекулярных взаимодействий возникают явления смачивания или не смачивания. Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше сил притяжения между молекулами жидкости: F_ж-тв > F_ж-ж, то жидкость будет растекаться по поверхности твердого тела, это явление и называют смачиванием. Если же силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше сил притяжения между молекулами жидкости: Fж-тв < Fж-ж., то жидкость будет стремиться уменьшить свою поверхность, собираясь в каплю (рис.4). Такое явление называют несмачиванием. Одна и та же жидкость может быть смачивающей для одного твердого тела и не смачивающей для другого.

Поверхности, смачиваемые водой, называют гидрофильными, а не смачиваемые ею – гидрофобными.

Количественной мерой смачивания служит краевой угол θ, образуемый поверхностью твердого тела и касательной, проведенной к поверхности жидкости в точке их соприкосновения, причем жидкость находится внутри этого угла (см. рис.4). При смачивании 0≤ θ< 90^o и чем меньше угол θ, тем сильнее смачивание. Если θ=0, то смачивание называют полным или идеальным. При идеальном смачивании капля жидкости растекается по поверхности твердого тела, пока не покроет всю поверхность или пока не образуется мономолекуляр­ный слой.

При несмачивании 90^o < θ≤ 180^o и чем больше угол θ, чем сильнее выражено несмачивание, при θ=180^о будет полное несмачивание. В этом случае жидкость не прилипает к поверхности твердого тела и легко скатывается с нее.

Капиллярные явления.

Явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидко­сти в широком сосуде называются капиллярными явлениями (Рис.5). Если жидкость смачивает стенки капилляра, то образуется вогнутый мениск радиуса r, молекулярное давление под которым на Δр меньше, чем под плоской поверхностью в широком сосуде, сообщающимся с капилляром, вследствие чего жидкость в капилляре выталкивается вверх до тех пор, пока весовое давление образовавшегося столба жидкости высотой h не скомпенсирует добавочное молекулярное давление Δр:

Δр = ρgh, (5)

где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения.

Если жидкость не смачивает капилляр, то образуется выпуклый мениск, молекулярное давление под которым вытесняет жидкость ниже исходного уровня на глубину h, удовлетворяющую условию (5).

Таким образом, в капилляре жидкость поднимается (или опускается) на такую высоту h, при которой гидростатическое давление столба жидкости уравновешивает избыточное молекулярное давление, обусловленное кривизной мениска:

. (6)

Если радиус кривизны мениска равен R, то, подставляя (5.3а) в (5.6), получим:

. (7)

Здесь учтена связь между радиусом капилляра r и радиусом кривизны мениска R = r/cosθ, где θ – краевой угол.

Из формулы (5.7) видно, что чем тоньше капилляр (r) и лучше смачивание (меньше θ и, соответственно, больше cosθ), тем выше поднимается жидкость по капилляру. При идеальном смачивании (θ=0, cosθ=1, R=r) высота подъема максимальна:

(7а)

Смачивающая жидкость хорошо проникает в мелкие поры тела и удерживается в них. Благодаря этому явлению пористые вещества могут удерживать значительное количество жидкости даже из паров воздуха, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещени­ях, затрудняет сушку гигроскопических тел.

Капиллярные явления весьма распространены, ими в частности, обусловлено поднятие воды в почве, по корневой системе растений, движение биологических жидкостей по системе мелких сосудов и канальцев и многие другие явления.

Несмачивающая жидкость «выталкивается» из капилляра и не может глубоко проникнуть в капилляры и поры твердого тела.

О пределение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом Ребиндера (метод определения максимального давления в пузырьке).

Исследуемая жидкость помещается в пробирку 1 (см. рис.6), в которую затем вертикально опускается капиллярная трубка 2, проходящая сквозь пробку, плотно закрывающую пробирку. Узкий конец капиллярной трубки касается мениска исследуемой жидкости (или заглублен в нее не более, чем на 0,5мм), а другой сообщается с атмосферой.

В стеклянном сосуде 3 с краном 4 находится вода. Сосуд закрыт плотно пригнанной пробкой, причём давление над поверхностью воды p₁ такое же, как над поверхностью исследуемой жидкости и в левом плече U –образного манометра 5.

При открытом кране 4 из сосуда 3 начинает вытекать вода. Объём воды в сосуде 3 уменьшается, а значит, объём воздуха над водой в сосуде увеличивается. Температура воздуха остаётся неизменной, масса воздуха тоже не меняется, из чего следует, что выполняется закон Бойля и Мариотта: для газа одинаковой массы при постоянной температуре произведение давления на объём постоянной, т.е. pV=const или p₁V₁=р₂V₂. При увеличении объёма воздуха над водой в сосуде 3 давление p₁ понижается, а значит, оно понизится и над исследуемой жидкостью, и в левом столбике манометра.

При некотором давлении р₁ над поверхностью исследуемой жидкости из конца капиллярной трубки 2 под действием разности атмосферного давления р_атм и давления р₁ выдавливается в жидкость воздушный пузырёк. Эта разность давлений Δр= р_атм – p₁ измеряется манометром и равна ρgh, где ρ - плотность жидкости, залитой в манометр, h - разность уровней этой жидкости в левом и правом столбике U-образной трубки манометра.

Давление, обусловленное силами поверхностного натяжения и стремящееся «схлопнуть» пузырек, определяется формулой Лапласа (3).

В момент отрыва пузырька эти давления равны и для эталонной и жидкости, коэффициент поверхностного натяжения σ₀ которой известен, можем записать:

, (8)

Аналогичную формулу можем записать и для исследуемой жидкости:

. (9)

Здесь h₀ и h₁– максимальная разность уровней жидкости в левом и правом коленах U-образного манометра в момент отрыва пузырька в пробирке с эталонной и исследуемой жидкостью соответственно.

Разделив уравнение (9) на (8), получим: . Отсюда получим формулу для определения поверхностного натяжения исследуемой жидкости:

. (10)