Капиллярные явления. На границе раздела трёх фаз образуется мениск с радиусом кривизны r

На границе раздела трёх фаз образуется мениск с радиусом кривизны r. Если q меньше 90°, то мениск получается вогнутым (рис. 4.2); если же q больше 90° — выпуклым (рис 4.3). Искривление поверхности жидкости приводит к появлению дополнительного капиллярного давления, направленного внутрь объёма одной из контактирующих фаз. Если жидкость смачивает поверхность твёрдого тела, то давление насыщенного пара над ним ( p ) меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью ( p ₀ ), и уровень жидкости в капилляре поднимается на высоту h. Если же смачивания нет, то p > p ₀ , и жидкость опускается на глубину h.

Согласно Лапласу, разность давлений можно рассчитать по уравнению

D p = p – p ₀ = 2 s_{ж – г} / r.

Высота капиллярного поднятия и глубина опускания жидкости связаны с физическими характеристиками капилляра, жидкости и газовой фазы уравнением Жюрена:

h = 2 s cosq [ g r ₀ (r – r₀)] ^–1 ,

где s — поверхностное натяжение жидкости; q — краевой угол смачивания; g — ускорение свободного падения; r ₀ — радиус капилляра;
r — плотность жидкости; r₀ — плотность газовой фазы.

Изменение давления пара жидкости, вызванное искривлением поверхности раздела смежных фаз, определяется условием равенства химических потенциалов в смежных фазах и описывается уравнением Кельвина (У. Томпсон, 1871):

p / p ₀ = exp[(2 s u) / (r R T )] ,

где s — межфазное поверхностное натяжение; u — молекулярный объём жидкости; r — радиус кривизны поверхности раздела фаз; R — универсальная газовая постоянная; Т — температура.

В процессе перехода системы Г — Ж в термодинамическое равновесие крупные капли растут за счёт испарения более мелких и конденсации испарившейся жидкости на крупных каплях.

Пониженное давление пара над смачивающими менисками является причиной капиллярной конденсации в тонких порах.

Объём жидкости, сконденсированной в порах, достигает предельного значения при p = p ₀ .

Уравнение Кельвина справедливо для характеристики капиллярных явлений, состояния коллоидных систем и зародышей новой фазы.