33. Явления на границе жидкости и твердого тела.

Из опыта известно, что капля воды растекается на стекле и принимает форму, изображенную на рис., в то время как ртуть на той же поверхности превращаете в несколько сплюснутую каплю (рис.). 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.

Когда две среды, твердая и жидкая, находятся в соприкосновении, то молекулы поверхностных слоев взаимодействуют между собой. В этом случае сила поверхностного натяжения не только обусловлена свойствами жидкого и твердого тела, но эти силы оказывают влияние и на взаимодействие жидкого и твердого тела. Поэтому имеет смысл говорить об относительной силе взаимодействия F₁₂ и относительном коэффициенте поверхностного натяжения s₁₂. (на границе элемента контура : ).

Пусть в соприкосновении находятся три среды: твердая, жидкая и газообразная. Вся система примет конфигурацию, соответствующую минимуму суммарной энергии (поверхностной, в поле силы тяжести и т.п.). Вдоль контура, ограничивающего жидкость на твердом теле, имеет место уравновешивание трех сил поверхностных натяжений: – на границе твердое тело - газ, – на границе твердое тело -жидкость, – на границе газ - жидкость:

.

Из рисунка 40.2. следует, что условие равновесия элемента контура длиной запишется следующим образом:

(1),

где - коэффициенты поверхностного натяжения на границах: твердое тело - газ, твердое тело -жидкость и жидкость - газ, q - краевой угол.

Краевой угол - это отсчитываемый внутри жидкости угол между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости. В соответствии с (1): .

Для выражения должно выполняться условие:

(2)

Это условие не выполняется в двух случаях:

1)

жидкость неограниченно растекается по поверхности твердого тела – имеет место полное смачивание. При полном смачивании краевой угол равен нулю.

2)

поверхность, по которой жидкость граничит с твердым телом, стягивается в точку, жидкость отделяется от твердой поверхности – имеет место полное несмачивание. При полном несмачивании краевой угол равен p.

При соблюдении условия (2) краевой угол может оказаться острым или тупым. Если , то и краевой угол острый. В этом случае имеет место частичное смачивание. Если , и краевой угол тупой. В этом случае имеет место частичное несмачивание. (см. рис.40.1)

Смачивание или несмачивание жидкостью твердого тела приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. В узкой трубке (капилляре) или в узком зазоре между двумя стенками искривленной оказывается вся поверхность. Если жидкость смачивает стенки, поверхность имеет вогнутую форму, если не смачивает - выпуклую. Такого рода поверхности называют менисками.