Явища на межі рідини і твердого тіла

Тверді тіла, як і рідкі, мають поверхневий натяг. При розгляді явищ на межі розділу різних середовищ слід враховувати, що поверхнева енергія рідини чи твердого тіла залежить не лише від властивостей даної рідини чи твердого тіла, але й від властивостей тієї речовини, з якою вони межують. Строго кажучи, потрібно розглядати сумарну поверхнева енергію двох межуючих одна з одною речовин. Лише якщо одна речовина газоподібна, хімічно не реагує з іншою речовиною і малорозчинна в ній, можна говорити про коефіцієнт поверхневого натягу другого рідкого чи твердого тіла.

Рис. 2

Якщо межують одна з одною одразу три речовини: тверда, рідка і газоподібна, то вся система приймає конфігурацію, що відповідає мінімуму сумарної енергії (поверхневої, в полі сил тяжіння і т.п.).

Рис. 3

Зокрема контур, по якому межують всі три речовини, розташований на поверхні твердого тіла таким чином, щоб сума проекцій всіх, прикладених до кожного елемента контуру сил поверхневого натягу на напрямок, в якому елемент контуру може переміщуватись (тобто на напрямок дотичний до поверхні твердого тіла), дорівнювала нулю.

Маємо умову рівноваги елемента контуру довжиною (з малюнка):

. (3)

де - коефіцієнти поверхневого натягу на межах: тверде тіло-газ, тверде тіло-рідина, рідина-газ.

Кут між дотичними до поверхні твердого тіла і до поверхні рідини,(що відраховується всередині рідини) називається крайовим кутом (з рівняння (3)).

. (4)

Крайовий кут визначається цим виразом лише за умови, що:

. (5)

Якщо ця умова не виконується ні при якому значенні не може встановитися рівновага. Це має місце в двох випадках:

1. .

Рис. 4

Яким би малим не був кут , сила переважує дві інші. В цьому випадку рідина необмежено розтікається по поверхні твердого тіла – має місце повне змочування.

Заміна поверхні тверде тіло-газ двома поверхнями, тверде тіло-рідина і рідина-газ, виявляється енергетично вигідно

.

2. .

Рис. 5

Якби не був близький до π , сила , переважає дві інші.

Поверхня, по якій рідина межує з твердим тілом, стягується в точку, рідина відхиляється від твердої поверхні – має місце повне незмочування. Заміна поверхні тверде тіло-рідина двома поверхнями тверде тіло-газ і рідина-газ, виявляється енергетично-вигідно

.

При виконанні умови (5), крайовий кут може виявитися гострим чи тупим в залежності від співвідношення .

Якщо ,кут - гострий. В цьому випадку має місце часткове змочування. Якщо , кут - тупий. Має місце часткове незмочування.

Рис. 6