Смачивание и растекание
Смачивание — процесс образования и распространения тонкой жидкой пленки на твёрдой поверхности под действием межфазных сил. Является результатом взаимодействия жидкость–твердое тело и жидкость–газ.
Угол смачивания
Основной параметр, характеризующий смачивание — угол смачивания (θ), который измеряется между касательной к капле жидкости на границе раздела с твердым телом и самой поверхностью твёрдого тела.
- Если θ < 90°, поверхность хорошо смачивается жидкостью, и капля растекается.
- Если θ > 90°, смачивание плохое, капля сохраняет форму и слабо растекается.
Угол смачивания зависит от поверхностных натяжений трёх фаз: жидкости, твердого тела и газа, и определяется уравнением Юнга:
γSG = γSL + γLGcos θ
где γSG — поверхностное натяжение между твёрдым телом и газом, γSL — поверхностное натяжение между твёрдым телом и жидкостью, γLG — поверхностное натяжение жидкости.
Механизмы смачивания
- Химическое смачивание — обусловлено химическим взаимодействием жидкости и твёрдого тела.
- Физическое смачивание — связано с поверхностными энергиями и адгезионными силами.
Растекание жидкости
Растекание — процесс увеличения площади контакта жидкости с поверхностью вследствие сил смачивания и гравитационных сил. При растекании капля приобретает плоскую форму, уменьшается её высота и увеличивается площадь основания.
Факторы, влияющие на растекание
- Поверхностное натяжение жидкости — чем меньше, тем легче жидкость растекается.
- Смачивающие свойства поверхности — чем больше адгезия жидкости к поверхности, тем активнее растекание.
- Гравитация — особенно важна для больших капель, заставляя их распластываться.
- Шероховатость и химическая структура поверхности — влияют на локальное изменение угла смачивания и на процесс растекания.
Взаимосвязь между смачиванием, растеканием, кипением и конденсацией
Смачивание и растекание влияют на процессы теплообмена, особенно при фазовых переходах. Например, хорошее смачивание поверхности жидкостью при конденсации обеспечивает эффективный теплоотвод, так как тонкая жидкая пленка способствует быстрому отводу скрытой теплоты конденсации. При кипении плохое смачивание может привести к образованию изолирующих пузырьков, замедляющих процесс теплообмена.
Ключевые моменты
- Кипение — фазовый переход, сопровождающийся образованием паровых пузырьков внутри жидкости при температуре, соответствующей давлению.
- Конденсация — обратный процесс, сопровождающийся выделением скрытой теплоты.
- Смачивание характеризуется углом смачивания и определяется балансом поверхностных энергий.
- Растекание — следствие смачивания и силы тяжести, влияющее на форму жидкости на поверхности.
- Взаимодействие смачивания и фазовых переходов существенно для теплотехнических процессов и инженерных приложений.