Работа адгезии и когезии, теплота смачивания

Поверхностные явления описываются также работой адгезии.

Адгезия – прилипание (сцепление поверхностей) разнородных тел.

Когезия – явление сцепления поверхностей разнородных тел, обусловленной межмолекулярным или химическим взаимодействием.

Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

W_a = σ _1,2 + σ _2,3 - σ _1,3. (6.6)

Используя соотношения 6.4 и 6.6, мы получим уравнение Дюпре-Юнга:

W_a = σ _1,2 ·(1+cosθ). (6.7)

Из соотношения:

σ _2,3 – σ _1,3= σ _1,2·cosθ (6.8)

следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твёрдого тела уменьшается на величину σ _1,2·cos θ, которую принято называть натяжением смачивания.

Работа когезии W_к характеризует энергетические изменения поверхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы.

Из уравнения 6.7 следует, что на отрыв жидкости от поверхности твёрдого тела при полном смачивании (когда cosθ=0) затрачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверхностей – 2 σ _жг(σ _1,2), т.е.:

W_к = 2· σ _{ж г},, (6.9)

где 2· σ _жг - поверхностное натяжение жидкости на границе с газом.

Это значит, что при полном смачивании жидкость не отрывается от поверхности твёрдого тела, а происходит разрыв самой жидкости, т.е. при полном смачивании σ _1,2 ≤ σ _1,3.

Подставив в уравнение Юнга значения работ адгезии и когезии, получим:

(6.10).

Из этого уравнения 6.10 следует, что смачиваемость жидкостью твёрдого тела тем лучше, чем меньше работа когезии (и поверхностное натяжение жидкости на границе с газом).

Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также относительную работу адгезии z = W_а/W_к.

Ещё одна характеристика, используемая для описания поверхностных явлений – теплота смачивания.

Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью наблюдается выделение тепла, так как разность полярностей на границе твёрдое тело–жидкость меньше, чем на границе с воздухом. Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно изменяется от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсности твёрдого тела и полярности жидкости.

Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твёрдого тела и природу его поверхности. Большее количество теплоты выделяется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твёрдую поверхность.

Если через q₁ – обозначить удельную теплоту смачивания породы водой, а через q₂ – обозначить удельную теплоту смачивания породы нефтью, то для гидрофильных поверхностей будет выполняться соотношение: