Капли на поверхности. Смачивание. Форма жидких тел

Капли на поверхности. Смачивание. Форма жидких тел

Если каплю жидкости поместить на глад­кую сухую поверхность, например на стеклян­ную пластинку, то она либо полностью расте­чется, покрыв пластинку пленкой, либо оста­нется на месте. В первом случае произойдет полное смачивание: силы сцепления жид­кости с твердым телом на их общей границе, т. е. силы прилипания, превысят сцепление молекул самой жидкости; во втором — силы прилипания окажутся меньше сил сцепления молекул жидкости и капля не растечется в плен­ку, полного смачивания не будет. Капля оста­нется сидеть на пластинке, образуя с ней крае­вой угол; чем он больше, тем хуже смачивание. Если краевой угол тупой, как например у рту­ти на стекле или у воды на парафине, капля свободно бегает по пластинке, не оставляя на ней следа. Поверхность, образующую тупой краевой угол с каплей воды, называют гид­рофобной (в переводе с греческого — нена­видящий воду) или водоотталкивающей. Строго говоря, это неправильно, так как сама вода не отталкивается, а притягивается к любым поверхностям, но силы прилипания к гидро­фобным поверхностям так малы, что не могут преодолеть силы сцепления между молекулами воды в капле.

Чем больше поверхностное натяжение жид­кости на границе с ее паром, тем хуже она сма­чивает твердую поверхность. Углеводородные жидкости — нефть и минеральные масла σ=20—30 смачивают все сухие твердые поверхности, вода (σ=73) не смачивает жир­ные (гидрофобные) поверхности, а ртуть (σ=480) не смачивает все обычные поверхности.

Чем сильнее молекулярное взаимодействие жидкости с каким-либо телом, чем она сильнее прилипает к нему, тем лучше она его и смачи­вает. Оттого-то ртуть и другие жидкие (рас­плавленные) металлы прекрасно смачивают ме­талл, очищенный от окисла, но не смачивают ни стекло, ни поверхность твердых металлов, покрытую на воздухе окисленной пленкой. Этим свойством широко пользуются при паянии и лужении; перед тем как сварить или спаять металлы, их очищают от окислов. В отличие от гидрофобных гидрофильные поверх­ности (по-гречески — любящие воду) хорошо смачиваются водой. С поверхностями кварца и силикатных стекол вода вступает даже в хи­мическое соединение, образуя слои гидрата двуокиси кремния — кремневой кислоты.

Сами по себе, или, как говорят, самопроиз­вольно, происходят те процессы, при которых уменьшается свободная энергия. Именно по­этому самопроизвольно, под действием молеку­лярных сил, капля жидкости принимает форму шара: поверхность ее становится наименьшей при постоянном объеме. Это легко заметить, наблюдая за маленькими каплями воды на несма­чиваемой поверхности парафина или за каплями ртути на стекле. У крупных капель форма шара искажается силой тяжести, но если большую каплю масла поместить в не смешивающуюся с ним жидкость равной плотности, например в смесь воды со спиртом, она по закону Архимеда станет невесомой, тогда капля примет форму ша­ра (рис. 1). Это и есть собственная форма жидких тел; она легко возникает, но так же легко иска­жается под действием внешних сил.

Соприкасаясь, капельки сливаются в одну большую каплю, что тоже вызвано уменьше­нием свободной поверхностной энергии — уменьшением поверхности при постоянстве объема. Число молекул-пограничников при этом всегда уменьшается; они возвращаются в объем жидкости.