Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления

На границе соприкосновения различных сред может наблю­даться смачивание или несмачивание.

На рисунках показана капля жидкости на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости (рис. 7.9) и на поверхности твердого тела (рис. 7.10 и 7.11). На поверхностях раздела каждых двух сред (1 и 3, 2 и 1, 3 и 2) действуют силы поверхностного на­тяжения (показаны стрелками). Если эти силы разделить на дли­ну окружности капли (границы трех сред), то получим соответ­ственно σ₁₃, σ₂₁, σ₃₂.

Угол 9 между смачиваемой поверхностью и касательной к по­верхности жидкости, отсчитываемый через нее, называют крае­вым.

За меру смачивания принимают величину

(7.23)

Если σ₃₂ < σ₁₃ (см. рис. 7.10), то θ < π/2, и жидкость смачивает твердое тело, поверхность которого в этом случае называется гид­рофильной. Вслучае σ₃₂ < σ₁₃ (см. рис. 7.11) θ > π/2, жидкость не смачивает тело, поверхность его в этом случае называют гид­рофобной. Несмачивающая жидкость не протекает через малые отверстия в твердом теле. При σ₃₂ - σ₁₃ > σ₂₁ краевой угол определить нельзя, так как cos 6 не может быть больше единицы. В этом случае капля растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всей его поверхности или пока не образу­ется мономолекулярный слой. Такой случай является идеальным смачиванием

. К нему с некоторым приближением можно отнести растекание спирта или воды по чистой поверхности стек­ла, нефти по воде и пр.

Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривлен и оказывает дополнительное по отно­шению к внешнему давление Δр. Поверхностный слой подобен уп­ругой оболочке, например резиновой пленке. Результирующая сил поверхностного натяжения искривленной поверхности на­правлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сфе­рической поверхности, радиус кривизны которой r, дополнитель­ное давление

Δр = 2 σ/r. (7.24)

Искривление поверхности (мениск), в частности, возникает в узких (капиллярных) трубках в результате смачивания или не­смачивания жидкостью их поверхности. При смачивании образу­ется вогнутый мениск (рис. 7.12). Силы давления направлены от жидкости наружу, т. е. вверх, и обусловливают подъем жидкости в капилляре. Это равновесное состояние, показанное на рисунке, наступает тогда, когда давление ρgh уравновесит Δр.

Из рис. 7.12 видно, что

где R- радиус капилляра

Поэтому [(см. (7.24)] получаем

(7.25)

Тогда

откуда высота поднятия жидкости в капилляре

(7.26)

т. е. зависит от свойств жидкости и материала капилляра, а также от его радиуса.

В случае несмачивания cos θ < 0 и формула (7.26) покажет высоту опус­кания жидкости в капилляре.

Капиллярные явления определя­ют условия конденсации паров, ки­пения жидкостей, кристаллизации и т. п. Так, например, на молекулу

пара (рис. 7.13; точка А) над вогнутым ме­ниском жидкости действует больше моле­кул жидкости и, следовательно, большая сила, чем при выпуклом мениске (показа­ны стрелками). Это видно из рис. 7.13, на котором штриховыми линиями условно по­казаны сферы молекулярного действия, а заштрихованные участки — объемы жид­кости, молекулы которых притягивают вы­деленную молекулу пара. В результате это­го возникает капиллярная конденсация в смачиваемых тонких трубках даже при

сравнительно малой влажности воздуха. Благодаря этому пористые вещества могут задерживать значительное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещени­ях, затрудняет сушку гигроскопических тел, способствует удержа­нию влаги в почве и т. п. Наоборот, несмачивающие жидкости не проникают в пористые тела. С этим связана, например, непроница­емость для воды перьев птиц, смазанных жиром.

Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в ка­пилляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с раз­ных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь оди­наковый радиус кривизны, и силы дополнительного давления будут уравновешивать друг друга F_v = —F₂ (рис. 7.14, а). При из­быточном давлении с одной из сторон, например при движении жидкости, мениски деформируются, изменятся их радиусы кри­визны (рис. 7.14, б), дополнительное давление Ар с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут проис­ходить в кровеносной системе человека.

Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функци­ональному расстройству или даже летальному исходу. Так, воз­душная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен: проникший в ток крови воздух образует воздушный пузырь, пре-

пятствующий прохождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.

Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков и космонавтов при разгерметизировании кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом газов крови из растворенного состояния в свободное — газообраз­ное — в результате понижения окружающего атмосферного дав­ления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловли­вает основную часть общего давления газов в крови и не участвует в газообмене организма и окружающего воздуха.