Закон Лапласа

Для вывода уравнения найдём условие, при котором пузырёк объёмом V внутри жидкости не расширяется и не сжимается. При увеличении радиуса на величину dr изменение энергии Гиббса dG будет равно: dG=p_cdV+σdΩ. Слагаемое p_cdV – работа изобарического расширения пузырька; слагаемое σdΩ – затраченная работа на увеличение поверхности пузырька; Ω=4πr².

При равновесии dG=0 => 4πr²p_c+8πrσ=0.

В итоге получаем связь между капиллярным давлением и радиусом кривизны:

p_c=±2σ/r (+ для выпуклой поверхности, - для вогнутой).

Для поверхности произвольной формы: p_c=±σ(1/r₁+1/r₂),

Где r₁ и r₂ – главные радиусы кривизны.

Закон Лапласа выполняется точно если r>>b (b – молекулярный размер). Для нанообъектов не выполняется.

Смачивание

Смачивание – ФХ явление, происходящее при контакте жидкостей с поверхностью твёрдых тел. Основную роль в смачивании играют поверхностные свойства жидкости и твёрдого тела. В зависимости от сочетания этих свойств степень смачивания может различаться очень сильно. Например, вода хорошо смачивает очищенное от жировых загрязнений поверхность стелка: капля воды быстро растекается на достаточно большой площади и образует плоскую плёнку. Напротив, ртуть не смачивает стекло: небольшая капля ртути на стеклянной пластине имеет сферическую форму. Ртуть хорошо смачивает цинк, свинец, олово, золото.

Важная особенность заключается в том, что в процессе участвуют 3 разные фазы. Обычно это твёрдое тело, смачиваемая жидкость и газ (воздух), с которым граничила твёрдая фаза до подвода к её поверхности смачиваемой жидкости. Также распространён случай, когда третья фаза является жидкостью, которая не смешивается со смачиваемой жидкостью. Этот случай называется избирательным смачиванием. Типичным примером избирательного смачивания является контакт с поверхностью твёрдого тела полярной (вода и её растворы) и неполярной (предельные углеводороды, ароматические вещества и т.п.) жидкости.

Количественной характеристикой смачивания служит краевой угол θ, который измеряется по наклону касательной АВ к поверхности капли, находящейся на твёрдой поверхности. Вершина краевого угла (точка А) находится на линии контакта всех 3 фаз, участвующих в смачивании. Линию АС называют линией смачивания или линией трёхфазного контакта. Краевой угол θ отсчитывают в сторону смоченной поверхности. При избирательном смачивании краевой угол отсчитывают в сторону более полярной жидкости.

Закон Юнга

Краевой угол θ определяется законом Юнга. Для трёхфазных систем тв-жид-газ закон Юнга имеет вид:

cosθ=(σ_тг-σ_тж)/σ_жг (1)

Уравнение 1() следует из условия ТД равновесия линии смачивания. В правой части уравнения (1) все три параметра зависят от температуры. Поэтому каждой трёхфазной системе соответствует (при определённой температуре) единственное значение равновесного краевого угла.

При избирательном смачивании закон Юнга имеет вид:

cosθ=(σ_тж1-σ_тж2)/σ_ж1ж2

где σ_тж1 – удельная поверхностная энергия на границе тв-ж1; σ_тж2 – удельная поверхностная энергия на границе тв-ж2; σ_ж1ж2 – поверхностное натяжение на границе ж1-ж2.

На основе закона Юнга построена классификация различных случаев взаимодействия жидкостей с поверхностью твёрдых тел.