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).
Рис. 1.1. Краевые углы для смачивающей (а) и несмачивающей (б) Жидкостей |
$ |
Г |
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.
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.