ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Смачивание и капиллярные явления

Жидкости - это вещества, которые сохраняют свой объем, но не име­ют постоянной формы, принимая форму сосуда, в котором находятся.

Сохранение объема жидкости показывает, что между ее молекулами действуют силы притяжения, а расстояние между молекулами меньше ра­диуса молекулярного взаимодействия. Иными словами, в объеме, размеры которого меньше радиуса действия сил молекулярного взаимодействия, наблюдается упорядоченное, расположение молекул жидкости. Однако в объеме с размерами больше радиуса взаимодействия сил молекулярного притяжения доминируют силы броуновского движения молекул, что при­водит к их хаотическому перемещению. Таким образом, все пространство, занятое жидкостью, состоит как бы из множества зародышей кристаллов, которые, однако, неустойчивы, распадаются в одном месте, но снова воз­никают в другом. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок. По своим свойствам жидкости занимают промежуточ­ное положение между газами и твердыми телами.

Из явлений, связанных со свойствами жидкости, наиболее часто в технологических процессах имеют дело со смачиванием и капиллярными явлениями.

При контакте различных веществ с жидкостями наблюдаются раз­личной степени силовые и физико-химические взаимодействия. Например, при опускании и вынимании стеклянной палочки в ртуть и в воду оказы­вается, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к мо­лекулам стекла, а молекулы воды притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам стекла. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого вещества, то жидкость называют смачи­вающей это вещество. Если молекулы жидкости притягиваются друг к дру­гу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество.

В целом при контакте жидкости с поверхностью твердого тела можно выделить два предельных случая: поверхность твердого тела горизонталь­на, и поверхность твердого тела вертикальна.

Рассмотрим вариант с горизонтальной поверхностью.

При нанесении капли на твердую горизонтальную поверхность в ат­мосфере воздуха возникает периметр соприкосновения капли с поверхно­стью (периметр смачивания), в каждой точке которого сходятся силы по­верхностного натяжения на границе твердое тело - газ, твердое тело - жид­кость и жидкость - газ. Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности. Произвольная точка периметра смачивания станет точкой приложения трех указанных сил (рис. 1.1). При этом сила поверхностного натяжения атг, действующая на границе раздела твердое тело - газ, может быть больше, равна или меньше силы поверхностного натяжения (более строго - межфазного натяжения) атж на границе твердое - жидкое. В слу­чае, когда атж меньше, чем атт, система, продвигаясь к состоянию с мини­мумом свободной энергии, будет стремиться заменить поверхность с большим энергетическим потенциалом атт на поверхность раздела фаз с меньшим энергетическим потенциалом атж, т. е. капля начнет растекаться по твердой. поверхности, смачивать ее (рис.1.1,а). Противоположная кар­тина сложится, если атг меньше атж(рис. 1.1, б).

Смачивание и капиллярные явления

Рис. 1.1. Краевые углы для смачивающей (а) и несмачивающей (б)

Жидкостей

$

Смачивание и капиллярные явления

Г

Смачивание и капиллярные явления

Дтж Т

При достижении равновесия получим соотношение, называемое урав­нением Юнга:

Стг = Стж + Сжг' Cos0,

Где 0 - угол смачивания, образуемый каплей на поверхности твердого тела (измеряется со стороны жидкости).

Из рис. 1.1 следует, что при 0 < 90° жидкость смачивает, а при 0 > 90° не смачивает поверхность твердого тела (подложку). При полном смачива­нии cos 0 = 1, и жидкость растекается по поверхности твердого тела. Полу­чить на поверхности тела каплю при полном смачивании нельзя. Полное несмачивание, т. е. краевой угол равный 180°, практически не встречается, так как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притя­жения. Однако теоретически капля жидкости на горизонтальной поверхно­сти твердого тела в этом случае должна иметь форму шара.

Значения краевого угла, образуемого водой на поверхности различ­ных твердых тел, в воздушной атмосфере равны: кварц и кальцит - 0о, ма­лахит - 17о, пирит - (26...33)°, графит - (55...60)°, тальк - 69о, сера - 78о, парафин - 106°.

(1.11)

При вертикальном расположении твердой поверхности краевой угол 0 также сохраняется (рис. 1.2). В варианте смачивания жидкость у краев со­суда, в который она налита, приподнимется, а при несмачивании - опус­тится. В узких трубках искривится вся свободная поверхность жидкости. При круглом сечении трубки эта поверхность представляет собой часть поверхности сферы, которая называется мениском. У смачивающей жид­кости образуется вогнутый мениск, а у несмачивающей - выпуклый.

Смачивание и капиллярные явления

Рис. 1.2. Форма поверхности смачивающей (а) и несмачивающей (б) жидкостей и капиллярные явления в трубках

Так как площадь изогнутой поверхности мениска больше, чем пло­щадь внутреннего сечения трубки, то жидкость, стремясь к минимуму энергии, под действием молекулярных сил будет пытаться создать пло­скую поверхность. Возникает дополнительное давление Р. При смачива­нии (вогнутый мениск) оно направлено от жидкости, а при несмачивании (выпуклый мениск) - внутрь жидкости. Величина этого давления опреде­лена французским ученым П. Лапласом и потому его часто называют лап - ласовским.

При погружении узкой трубки в смачивающую жидкость лапласов - ское давление поднимает последнюю над ее уровнем в широком сосуде с плоским мениском. При несмачивающей жидкости имеет место противо­положная картина (см. рис. 1.2). Явления, обусловленные втягиванием или выталкиванием жидкости в капиллярах (трубки, диаметр которых соизме­рим с диаметром волоса), называются капиллярными явлениями.

Равновесная высота h подъема (опускания) жидкости в капилляре с радиусом r определяется по формуле

H = 2acos0/(pgr), (1.12)

Где а - поверхностное натяжение жидкости; p - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.

Можно показать, что силы лапласовского давления не только подни­мают и опускают жидкость в тонких капиллярах, но и стремятся притянуть (смачивающая жидкость) или оттолкнуть (несмачивающая жидкость) твердые поверхности, в контакте с которыми находятся (частицы круглой формы, параллельные пластины и т. д.).

Явления смачивания и капиллярные явления играют большую роль в природе. По капиллярам растений поднимается влага из почвы, достигая всех его частей вплоть до вершины. По капиллярам почвы влага поднима­ется на ее поверхность, где испаряется, а земля иссушается.

В технике смачивание и капиллярные явления в ряде случаев также играют определяющую роль, например при сушке капиллярно-пористых тел (древесина, бетон, другие строительные материалы), при окомковании мелких руд и концентратов (капиллярные силы обеспечивают получение окатышей), при обогащении полезных ископаемых, где ряд методов осно­ван на различиях в смачиваемости компонентов руд, в процессах пропитки жидкостями различных твердых фаз, в частности огнеупоров - расплавами металлов и шлаков и т. д.

ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Классификация промышленных отходов

Классификация промышленных отходов (ПО), образующихся в ре­зультате производственной деятельности человека, необходима как сред­ство установления определенных связей между ними с целью определения оптимальных путей использования или обезвреживания отходов. Обобщение и анализ …

Схемы абсорбционных процессов

В практике абсорбции используются несколько принципиальных схем проведения процесса. Наиболее широко применяются прямоточная (рис. 4.7,а) и противоточная (рис. 4.7,б) схемы. Абсорбция G X Z, X н G Y Xк Б) …

Биохимические процессы защиты окружающей среды

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно - бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органи­ческих и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорга­низмов …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.