§ 67. Смачивание

Из практики известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис. 98, в то время как ртуть на той же поверхности превращает­ся в несколько сплюснутую каплю (рис. 99). В первом случае говорят, что жидкость смачивает твердую поверхность, во втором — не смачивает ее. Смачивание зависит от характера сил, действующих между молекулами поверхностных слоев соприкасающихся сред. Для смачивающей жидкости силы притяжения между моле­кулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами самой жидкости, и жидкость стремится увеличить повер­хность соприкосновения с твердым телом. Для несмачивающей жидкости силы при­тяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между моле­кулами жидкости, и жидкость стремится уменьшить поверхность своего соприкос­новения с твердым телом.

К линии соприкосновения трех сред (точка О есть ее пересечение с плоскостью чертежа) приложены три силы поверхно­стного натяжения, которые направлены по касательной внутрь поверхности соприкос­новения соответствующих двух сред (рис. 98 и 99). Эти силы, отнесенные к единице длины линии соприкосновения, равны соответствующим поверхностным

 

 

 

114

натяжениям s₁₂, s₁₃, s₂₃. Угол q между касательными к поверхности жидкости и твердого тела называется краевым уг­лом. Условием равновесия капли (рис. 98) является равенство нулю суммы проекций сил поверхностного натяжения на направление касательной к поверхно­сти твердого тела, т. е.

-s₁₃+s₁₂+s₂₃cosq=0,

откуда

cosq=(s₁₃-s₁₂)/s₂₃. (67.1)

Из условия (67.1) вытекает, что крае­вой угол может быть острым или тупым в зависимости от значений s₁₃ и s₁₂. Если s₁₃>s₁₂, то cosq>0 и угол q — острый (рис. 98), т.е. жидкость смачивает твер­дую поверхность. Если s₁₃<s₁₂, то cosq<0 и угол q — тупой (рис. 99), т. е. жидкость не смачивает твердую по­верхность.

Краевой угол удовлетворяет условию (67.1), если

|s₁₃-s₁₂|/s₂₃<1. (67.2)

Если условие (67.2) не выполняется, то капля жидкости 2 ни при каких значениях 6 не может находиться в равновесии. Если s₁₃>s₁₂+s₂₃, то жидкость растекается по поверхности твердого тела, покрывая его тонкой пленкой (например, керосин на поверхности стекла),— имеет место пол­ное смачивание (в данном случае q=0). Если s₁₂>s₁₃+s₂₃, то жидкость стягива­ется в шаровую каплю, в пределе имея с ней лишь одну точку соприкосновения (например, капля воды на поверхности парафина),— имеет место полное несма­чивание (в данном случае q=p).

Смачивание и несмачивание являются понятиями относительными, т. е. жид­кость, смачивающая одну твердую повер­хность, не смачивает другую. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин; ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов.

Явления смачивания и несмачивания имеют большое значение в технике. На­пример, в методе флотационного обогаще­ния руды (отделение руды от пустой по-

роды) ее, мелко раздробленную, взбалты­вают в жидкости, смачивающей пустую породу и не смачивающей руду. Через эту смесь продувается воздух, а затем она отстаивается. При этом смоченные жидко­стью частицы породы опускаются на дно, а крупинки минералов «прилипают» к пу­зырькам воздуха и всплывают на повер­хность жидкости. При механической обра­ботке металлов их смачивают специальны­ми жидкостями, что облегчает и ускоряет обработку.