Змочування та капілярні явища

Рідини - це речовини, які зберігають свій об'єм, але не мають постійної форми, приймаючи форму ємності, у якій знаходяться. З явищ, пов'язаних з властивостями рідини, найбільш часто у технологічних процесах мають справу зі змочуванням і капілярними явищами.

Якщо молекули рідини притягаються одна до одної слабше, ніж до молекул твердої речовини, то рідина називається такою, що змочує цю речовину.

У цілому при контакті рідини з поверхнею твердого тіла можна виділити два граничних випадки: поверхня твердого тіла горизонтальна, і поверхня твердого тіла вертикальна.

При нанесенні краплини на тверду горизонтальну поверхню в атмосфері повітря виникає периметр зіткнення краплі з поверхнею (периметр змочування), у кожній точці якого сходяться сили поверхневого натягу на межі тверде тіло-газ, тверде тіло-рідина та рідина-газ. Сили поверхневого натягу діють уздовж поверхні. Довільна точка периметра змочування стане точкою трьох зазначених сил (рис. 1.1). При цьому сила поверхневого натягу σ_π∙, діюча на межі поділу тверде тіло-газ, може бути більше, дорівнювати або менше сили поверхневого натягу O_lp на межі тверде тіло-рідина. У разі, коли σ_тр менше, ніж σ_π. крапля почне розтікатися по твердій поверхні, змочувати її (рис.1.1, а). Протилежна картина складеться, якщо σ_π. менше σ₄, (рис. 1.1, б).

При досягненні рівноваги отримаємо співвідношення, що називається рівнянням Юнга

де θ - кут змочування, утворений краплею на поверхні твердого тіла (вимірюється з боку рідини).

Рис 1.1 свідчить, що при θ < 90° рідина змочує, а при θ > 90° не змочує поверхню твердого тіла (підкладку). При повному змочуванні cos θ = 1, і рідина розтікається по поверхні твердого тіла.

При вертикальному розташуванні твердої поверхні крайовий кут θ також зберігається (рис. 1.2). У варіанті змочування ємності краї рідини піднімаються, а при незмочуванні - опускаються. У вузьких трубках викривляється вся вільна поверхня рідини. У змочуваній поверхні рідиною утворюється увігнутий меніск, а у незмочуваній - опуклий. Явища, обумовлені втягуванням або виштовхуванням рідини у капілярах (трубки, діаметр яких дорівнює діаметру волоса), називаються капілярними явищами.

а б

Рисунок 1.1 - Крайові кути для змочуваної (а) і незмочуваної (б) рідиною поверхні

Рисунок 1.2 - Форма поверхні змочуваної (а) і незмочуваної (б) рідиною і капілярні явища у трубках

Рівноважна висота h підйому (опускання) рідини у капілярі з радіусом r визначається за формулою де σ - поверхневий натяг рідини; ρ - густина рідини; g - прискорення вільного падіння.

1.1.3