Смачивание и несмачивание – это явления, возникающие на границе раздела жидкости и твердого тела, определяющие форму поверхности жидкости вблизи твердой поверхности и проявляющиеся, в частности, в капиллярных явлениях.
Смачивание
· Определение: Смачивание – это явление, при котором жидкость растекается по поверхности твердого тела, образуя тонкую пленку.
· Условие смачивания: Жидкость смачивает твердое тело, если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела (адгезия) больше, чем силы притяжения между молекулами самой жидкости (когезия).
· Краевой угол: При смачивании краевой угол θ, образуемый поверхностью жидкости и твердого тела, меньше 90 градусов (θ < 90°).
· Примеры: Вода хорошо смачивает стекло, металлы, дерево. Спирт хорошо смачивает многие органические вещества.
· Мениск в капилляре: В капилляре смачивающая жидкость образует вогнутый мениск.
Несмачивание
· Определение: Несмачивание – это явление, при котором жидкость собирается в капли на поверхности твердого тела, не растекаясь по ней.
· Условие несмачивания: Жидкость не смачивает твердое тело, если силы притяжения между молекулами жидкости (когезия) больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела (адгезия).
· Краевой угол: При несмачивании краевой угол θ, образуемый поверхностью жидкости и твердого тела, больше 90 градусов (θ > 90°).
· Примеры: Ртуть не смачивает стекло. Вода не смачивает парафин, воск, жирные поверхности.
· Мениск в капилляре: В капилляре несмачивающая жидкость образует выпуклый мениск.
Капиллярные явления
Капиллярные явления – это поднятие или опускание жидкости в узких трубках (капиллярах) под действием поверхностного натяжения и сил смачивания (или несмачивания).
· Поднятие жидкости в капилляре (смачивание): Смачивающая жидкость поднимается в капилляре, так как силы поверхностного натяжения стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости, а силы адгезии “подтягивают” жидкость к стенкам капилляра. Высота подъема жидкости в капилляре определяется формулой Жюрена:
· h = (2σ cos θ) / (ρgr)
Где:
h – высота подъема жидкости в капилляре
σ – поверхностное натяжение жидкости
θ – краевой угол смачивания
ρ – плотность жидкости
g – ускорение свободного падения
r – радиус капилляра
Из формулы видно, что высота подъема жидкости обратно пропорциональна радиусу капилляра. Чем уже капилляр, тем выше поднимается в нем жидкость.
· Опускание жидкости в капилляре (несмачивание): Несмачивающая жидкость опускается в капилляре, так как силы поверхностного натяжения стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости, а силы адгезии меньше сил когезии.
Применение капиллярных явлений:
Капиллярные явления играют важную роль в различных природных и технических процессах:
· Подъем воды в растениях: Вода и питательные вещества поднимаются по капиллярным сосудам растений от корней к листьям.
· Пропитывание бумаги чернилами: Чернила хорошо смачивают бумагу и распространяются по ее капиллярным порам.
· Впитывание влаги губкой и полотенцем: Губки и полотенца имеют пористую структуру с множеством капилляров, которые впитывают воду.
· Использование капиллярных ручек: Чернила поступают к перу капиллярной ручки по узкому каналу.
· В медицине: Для забора крови из пальца используют капиллярные трубки.
· В строительстве: Капиллярные явления могут приводить к проникновению влаги в стены зданий.
· В сельском хозяйстве: Капиллярные явления влияют на распределение влаги в почве.
Понимание явлений смачивания и несмачивания, а также капиллярных явлений, важно для различных областей науки и техники, позволяя разрабатывать новые материалы и технологии, а также оптимизировать существующие процессы.