Смачивание. Закон Юнга (силовой и энергетический выводы)

Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз. Смачивание часто рассматривают как результат межмолекулярного (вандерваальсова) взаимодействия, однако во многих случаях (например, при соприкосновении жидких металлов с твердыми металлами) смачивание обусловлено скорее, образованием химических соединений, твердых и жидких растворов и диффузионными процессами в поверхностном слое смачиваемого тела.

Смачивание – самопроизвольный процесс, идущий с уменьшением поверхностной энергии. Поэтому при смачивании выделяется теплота. Чем лучше твердое тело смачивается жидкостью, тем выше теплота смачивания. Тепловой эффект, сопровождающий соприкосновение жидкости со смачиваемой поверхностью, называется теплотой смачивания.

Мерой смачивания является краевой угол смачивания Θ между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре. Угол Θ отсчитывают со стороны жидкости. Точка, соответствующая краевому углу смачивания 90°, называется точкой инверсии. При статическом (равновесном) смачивании угол Θ связан с поверхностным натяжением жидкости (σ_ж), поверхностным натяжением твердого тела (σ) и межфазным натяжением на границе «твердое тело – жидкость» (σ_тж) уравнением Юнга:

cosΘ = (σ_т – σ_тж) / σ_ж.

Величиной угла Θ оценивают лиофильность и лиофобность поверхностей по отношению к различным жидкостям. На лиофильной поверхности жидкость растекается, т. е. имеет место частичное (0° < Θ < < 90°) или полное смачивание, на лиофобной поверхности растекания не происходит (Θ > 90°). Краевой угол зависит от соотношения сил сцепления молекул жидкости с молекулами или атомами смачиваемого тела (адгезии) и сил сцепления молекул жидкости между собой (когезии). Обратимую работу адгезии и когезии вычисляют, соответственно, по уравнениям:

W_a = σ_ж (1 + cosΘ) и W_k = 2σ_ж.

При W_a < W_K всегда Θ > 0°, причем с увеличением отношения W_a < W_k улучшается С.

Работа адгезии характеризует работу по отрыву от твердой поверхности. Оценивается она по уравнению Дюпре-Юнга: W_а=σ(1 + cos х).

Разность S = W_a – W_k называется коэффициентом растекания. Часто наблюдаемая задержка в установлении равновесных краевых углов называется гистерезисом смачивания. Различают кинетический (динамический) и статический гистерезис смачивания.

Причинами гистерезиса могут быть шероховатость поверхности, особенности структуры поверхностного слоя, релаксационные процессы в жидкой фазе и др.

Если твердое тело соприкасается одновременно с двумя несмешивающимися жидкостями, происходит избирательное смачивание. Эффективные регуляторы смачивания – поверхностно-активные вещества, которые могут как улучшать, так и ухудшать его.

В узких каналах, цилиндрических капиллярах образуется вогнутый мениск – полностью искривленная поверхность жидкости (рис. 1).

******************************************************************

Мерой смачивания является краевой угол смачивания Θ между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре. Угол Θ отсчитывают со стороны жидкости. Точка, соответствующая краевому углу смачивания 90°, называется точкой инверсии. При статическом (равновесном) смачивании угол Θ связан с поверхностным натяжением жидкости (σж), поверхностным натяжением твердого тела (σ) и межфазным натяжением на границе «твердое тело – жидкость» (σтж) уравнением Юнга:

cosΘ = (σт – σ тж) / σ ж.

Wa = σж (1 + cosΘ) и W k = 2σж.

При Wa < WK всегда Θ > 0°, причем с увеличением отношения Wa < Wk улучшается С.

Работа адгезии характеризует работу по отрыву от твердой поверхности. Оценивается она по уравнению Дюпре-Юнга: Wа=σ(1 + cos х).

Разность S = Wa – Wk называется коэффициентом растекания. Часто наблюдаемая задержка в установлении равновесных краевых углов называется гистерезисом смачивания. Различают кинетический (динамический) и статический гистерезис смачивания.

В узких каналах, цилиндрических капиллярах образуется вогнутый мениск – полностью искривленная поверхность жидкости

Поищи ещё

Правило Ребиндера

В 30-х годах ряд принципиально важных результатов получил акад. П. А. Ребиндер. Он выявил влияние многих факторов на проявление гистерезиса смачивания и предложил классификацию основных форм гистерезиса. П. А. Ребиндер ввел в физическую химию представления об избирательном смачивании твердых тел жидкостями различной полярности, что позволило с помощью измерения краевых углов в условиях избирательного смачивания или сравнения теплот смачивания полярной и неполярной жидкостями классифицировать поверхности твердых тел как гидрофильные и гидрофобные. Ребиндер установил правило уравнивания полярностей, на основе которого можно прогнозировать адсорбцию веществ на границах раздела фаз и ориентацию молекул в адсорбционных монослоях. Эти работы положили начало научному обоснованию использования поверхностно-активных веществ для управления смачиванием, что получило широкое промышленное применение в промышленных процессах (во флотации, в очистке материалов от загрязнений, технологии моющего действия и т. д.)

Метод максимального давления пузырька (метод П.А. Ребиндера).

Основан на измерении максимального значения капиллярного давления Р = 2σ/r0, возникающего при образовании на срезе капилляра пузырька сфериче-ской формы; это максимальное давление определяется радиусом капилляра ro. Метод чаще всего используется как относительный, и поверхностное натяжение исследуемой жидкости определяется по отношению значений максимальных давлений Р исследуемой и Рэ эталонной жидкостей (для вод-ных растворов ПАВ эталонной жидкостью является вода) или из соотноше-ния соответствующих высот поднятия манометрической жидкости h/hэ.

Явление адсорбционного влияния среды на механические свойства и структуру твердых тел – эффект Ребиндера – было открыто академиком П. А. Ребиндером в 1928 г. При облегчении деформации и разрушения твердого тела и протекании в нем структурных изменений в результате понижения свободной поверхностной энергии, при контакте со средой, содержащей вещества, способные к адсорбции на поверхности, изменяются механические свойства тела. В зависимости от химической природы твердого тела и среды, условий деформирования и разрушения и структуры твердого тела эффект Ребиндера может проявляться в различных формах. Особенности эффекта Ребиндера:

1) действие сред весьма специфично: на каждый данный тип твердого тела действуют лишь некоторые определенные среды;

2) изменение механических свойств твердых тел можно наблюдать сразу после установления контакта со средой;

3) для проявления действия среды достаточно весьма малых ее количеств;

4) эффект Ребиндера проявляется при совместном действии среды и механических напряжений;

5) наблюдается своеобразная обратимость эффекта: после удаления среды механические свойства исходного материала восстанавливаются.

В этом состоит отличие эффекта Ребиндера от других случаев влияния среды на механические свойства твердых тел, в частности от процессов растворения и коррозии, когда разрушение тела под действием среды может происходить и в отсутствие механических напряжений. Адсорбционное понижение прочности (АПП) наблюдается в присутствии сред, вызывающих сильное снижение поверхностной энергии твердых тел. Наиболее сильные эффекты вызывают жидкие среды, близкие по молекулярной природе к твердому телу. Среди многочисленных сред одинаковой молекулярной природы значительное снижение прочности твердых тел часто вызывают вещества, образующие с твердым телом эвтектическую диаграмму с небольшой растворимостью в твердом состоянии; этому отвечает малая по величине положительная энергия смешения компонентов. В системах с малой интенсивностью взаимодействия компонентов (взаимной нерастворимостью) так же, как и в случае очень большого взаимного сродства, особенно если компоненты вступают в химическую реакцию, АПП обычно не наблюдается. При хрупком разрушении связь прочности Р с поверхностной энергией описывается уравнением Гриффитса:

где Е – модуль упругости твердого тела; l – характерный размер существующих в нем или возникающих при предварительном пластическом деформировании дефектов – зародышевых трещин разрушения.

В соответствии с соотношением Гриффитса отношение прочностей материала в присутствии среды (P_A) и в отсутствие среды (P₀) равно: P_A / P₀ = (σ_А/ σ₀)^1/2. При разрушении твердых тел в присутствии смесей двух жидких компонентов, различающихся по адсорбционной активности, прочность снижается тем быстрее, чем выше концентрация более активного компонента, который преимущественно адсорбируется на поверхности разрушения. Сопоставляя уравнение Гриффитса с адсорбционным уравнением Гиббса (при малых концентрациях) Г = −(RT)^-1dσ/ dlnc, можно непосредственно связать адсорбцию с прочностью P:

где Г – величина адсорбции (кмоль/м²); σ₀ – поверхностное натяжение растворителя (н/м); c – концентрация (кмоль/м³);R – газовая постоянная; T – температура, К.

Поищи ещё

Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 861; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!