3.4. Адгезія і змочування
Адгезія і змочування це дві сторони одного явища, яке виникає при контакті рідини з твердою поверхнею. Адгезія обумовлюється взаємодією твердого тіла і рідиною, яка знаходиться з ним в контакті, а змочування – це явище, котре має місто в результаті цієї взаємодії
Адгезія визначається взаємодією на межі розділу фаз. Ця взаємодія залежить від величини, котра обумовлює властивості поверхонь. Робота адгезії характеризує взаємодію двох концентрованих фаз з розрахунком на одиницю площі контакту. Робота адгезії рідини на межі з твердою фазою визначається з рівняння Дюпре:
(3.5)
Робота адгезії тим більше чим сильніше взаємодія контактуючих фаз. Згідно рівнянню Юнга:
(3.6)
При
контакті рідини з твердою поверхнею,
вільна поверхнева енергія дорівнює
,
а після роз’єднання тіл вона дорівнює
,
а різниця меж цими величинами є
.
Часто
роботу адгезії порівнюють з роботою
когезії
.
Робота когезії характеризує взаємодію
частинок однієї фази і дорівнює
.
Тоді:
(3.7)
Звідси можна виділити наступні умови:
1)
змочування відсутнє (
);
2)
змочування (
);
3)
повне змочування (
).
Таким чином, розтікання однієї рідини по поверхні іншої або по поверхні твердого тіла може бути виражено через роботу адгезії і роботу когезії рідини, яка розтікається. Умова розтікання полягає в тому, що робота адгезії повинна дорівнювати або бути більше роботи когезії рідини, яка розтікається.
Для того, щоб рідина 1 розтікалась по поверхні рідини або твердого тіла 2 необхідно щоб:
і
(3.8)
Оскільки тільки в цьому випадку не буде довільно збільшуватися вільна енергія системи.
Розтікання
буде відбуватися тим інтенсивніше, чим
більше різниця
.
Ця величина іноді називається коефіцієнтом
розтікання
рідини 1 по рідині 2:
(3.9)
У випадку розтікання рідини по поверхні твердого тіла на основі рівнянь (3.6) і (3.9) коефіцієнт розтікання дорівнює:
(3.10)
Це рівняння може бути використано, зокрема, при виготовленні точного лиття, коли метал повинен заповнювати ливарну форму тонкого перерізу і досить складної конфігурації.
Рівняння (3.10) можна застосовувати лише при одночасній зміні поверхневого натягу і крайового кута змочування. При розтіканні рідини крайові кути змочування відрізняються від рівноважного значення
Розрізняють крайовий кут відтікання і крайовий кут натікання, причому перший, як правило, менше останнього. На величину крайових кутів великий вплив має шорсткість. У випадку змочування матеріалу по якому відбувається розтікання, крайовий кут відтікання зменшується, оскільки рідина рухається вздовж пір, вже заповнених рідиною
Згідно
рівнянню (3.1)
є функцією від
:
Звідки
витікає, що збільшення
призводить до зменшення
.
Як для границі “рідина – рідина”, так
і для границі “тверде тіло – рідина”
робота адгезії тим більше, чим менше
міжфазний натяг. Для того, щоб рідини
були взаємо розчинними, необхідно, щоб
їх міжфазний натяг був рівним нулю або
навіть менше нуля.
Від’ємне значення міжфазного натягу відповідає тому випадку при якому притягання поверхневих молекул всередину іншої рідини більше їх притягання всередину власної фази.
Вихідні дані для розрахунку роботи адгезії рідкої фази з поверхнею твердого тіла наведені в таблиці 1.4, додатку 1. Вихідні дані для роботи адгезії і змочування в металевій фазі наведені в таблиці 1.5, додатку 1.