4. ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ ЖИДКОСТИ С ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ

При соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела различают два случая: когда жидкость смачивает твердое тело и когда жидкость не смачивает твердое тело.

Чистая стеклянная палочка, опущенная в воду, смачивается водой. Вынутая из воды стеклянная палочка несет на конце каплю воды. Та же палочка, опущенная в ртуть, не смачивается ртутью. На вынутой из ртути палочке ртути не остается.

Понять, почему одни жидкости смачивают, а другие не смачивают данное твердое тело, помогает рисунок 47.

Представим себе, что твердое тело граничит в точке А с горизонтальной плоской поверхностью жидкости. На молекулу жидкости в точке А действуют три силы: направленная горизонтально и определяемая поверхностным натяжением жидкости на границе жидкость — пар; направленная вертикально вниз и определяемая поверхностным натяжением на границе твердое тело — жидкость, и направленная вертикально вверх и определяемая поверхностным натяжением на границе твердое тело — пар.

Смачивание или несмачивание поверхности твердого тела будет зависеть от соотношения сил т. е. от соотношения поверхностных натяжений твердого тела на границе с паром жидкости и с самой жидкостью

Рис. 47. Силы, действующие на границе: твердое тело — жидкость.

Если то молекула, находившаяся в точке А, начнет двигаться вверх, в результате чего поверхность жидкости сделается изогнутой и силы, действующие на молекулу, будут теперь направлены так, как это изображено на рисунке 48.

Равновесие наступит, когда будет выполняться условие:

Угол образованный касательной к поверхности жидкости в той точке, где жидкость граничит с твердым телом и поверхностью твердого тела, называют краевым углом.

Следует подчеркнуть, что краевой угол всегда измеряют со стороны жидкости. У жидкостей, смачивающих твердое тело, краевой угол острый. Равновесная величина краевого угла определяется из соотношения:

Рис. 48. Форма границы твердое тело—жидкость, смачивающая твердое тело.

Рис. 49. Форма границы твердое тело—жидкость, не смачивающая твердое тело.

Рис. 50. Форма капель жидкости, лежащих на поверхности твердого тела. Слева — капля жидкости, не смачивающей поверхность, справа — смачивающей.

В том случае, когда соотношение поверхностных натяжений на границе твердого тела с жидкостью и паром оказывается обратным рассмотренному, т. е. когда поверхность жидкости приобретает кривизну противоположного знака (рис. 49).

Условием равновесия будет равенство:

Равновесное значение краевого угла определяется из соотношения:

Краевой угол в случае жидкостей, не смачивающих твердое тело, тупой.

На плоской поверхности твердого тела капли жидкости, смачивающей и не смачивающей твердое тело, приобретают характерную форму (рис. 50).

У жидкости, полностью смачивающей твердое тело, краевой угол равен нулю, а у жидкости, полностью не смачивающей твердое тело — 180°.

Смачивание или несмачивание жидкостью твердого тела определяет поведение жидкости в узких трубках — капиллярах. Если жидкость смачивает стенки капиллярной трубки, возникает вогнутый мениск. Сила поверхностного натяжения действующая по периметру жидкой поверхности в капилляре радиуса и равная произведению коэффициента поверхностного натяжения на периметр сечения капилляра стремится сократить поверхность жидкости. Стремление поверхности жидкости сократиться вызывает в свою очередь отклонение величины краевого угла от равновесного значения, определяемого написанными соотношениями. Для достижения равновесного значения краевого угла граница жидкости с твердым телом перемещается по капилляру вверх, увлекая при этом за собой столбик жидкости (рис. 51). Подъем жидкости в капилляре вызывает новое изменение краевого угла, которое приводит к дальнейшему перемещению жидкости вверх по капилляру, прекращающемуся тогда, когда составляющая поверхностного натяжения, тянущая столб жидкости вверх:

уравновешивается тяжестью столба т. е.

где масса столбика жидкости, ускорение силы тяжести.

Рис. 51. Подъем жидкости в капилляре.

Поскольку масса столбика жидкости равна его плотности умноженной на объем где высота столбика, можно написать:

Написанное соотношение позволяет рассчитать подъем жидкости в капилляре по сравнению с уровнем жидкости в широком сосуде:

Таким образом, смачивающая капиллярную трубку жидкость будет подниматься по ней тем выше, чем уже трубка. В противоположность описанному явлению уровень жидкости, не смачивающей стенки капилляра, будет располагаться в нем ниже, чем в широком сосуде.

Капиллярные явления играют большую роль в жизни растений. Они во многом определяют водный режим почв. Например, в удержании влаги выше уровня грунтовых вод важная роль принадлежит капиллярному поднятию воды.

С поверхностными явлениями на границе «твердое тело — жидкость» связано открытое Б. В. Дерягиным с сотрудниками расклинивающее действие тонкого слоя жидкости, проникающего в зазор между поверхностями двух твердых тел. Расклинивающий эффект возникает в результате молекулярного притяжения и наглядно доказывает существование на границе твердого тела слоя жидкости с аномальными свойствами, толщина которого превосходит намного молекулярные размеры.

Расклинивающее действие жидких пленок может объяснить облегчение раскалывания твердого тела в присутствии жидкости. Если с помощью бритвы не полностью отщепить от куска слюды тоненький листочек, а затем, не вынимая бритвы, ввести в образовавшийся зазор каплю воды, то можно наблюдать быстрое перемещение границы, отделяющей отколотый листочек от основного куска слюды, и углубление образовавшегося раскола.