ПОВЕРХНОСТНЫЕ СИЛЫ И КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Поверхностное натяжение. Поверхность жидкости, граничащая с другой средой, находится в особых условиях по сравнению с остальной жидкостью. Различие взаимодействия молекул поверхностного слоя жидкости с молекулами граничной среды приводит к динамической неуравновешенности, следствием чего является возникновение равнодействующей силы. Равнодействующая сила может быть направлена либо внутрь объема жидкости, либо в противоположную сторону — в сторону объема граничащей среды. Наличие равнодействующей силы, не равной нулю, приводит к тому, что перемещение молекулы жидкости из поверхностного слоя в окружающую среду или внутрь жидкости сопровождается совершением работы. Если жидкость граничит со своим паром, то сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это связано с тем, что плотность жидкости намного превышает плотность пара и сила взаимодействия поверхностных молекул жидкости с молекулами пара меньше этой силы со стороны жидкости. Поэтому перемещение молекул из объема жидкости к его поверхности требует затраты (отрицательной) работы. Отрицательная работа совершается и при увеличении поверхности жидкости, так как в этом случае часть молекул должна перейти из объема на поверхность, т. е. совершить работу против равнодействующей силы. Эта работа при изотермических условиях в дифференциальном виде выражается следующей формулой:
Известно, что всякая система находится в равновесии, когда пребывает в состоянии с минимальной энергией. Жидкость в условиях равновесия должна иметь минимальную поверхность. Можно представить, что существуют силы, препятствующие увеличению поверхности. Они действуют по касательной к поверхности жидкости и стремятся сократить поверхность. Эти силы названы силами поверхностного натяжения . Они возникают в тонком поверхностном слое на границе раздела двух сред (или фаз) вследствие различного взаимодействия молекул. Из геометрических соображений следует, что поверхность жидкости минимальна, если кривизна ее в каждой точке одинакова. Этому условию соответствует сфера, форму которой стремится у2,- принять жидкость в равновесном состоянии.
Поверхностное натяжение проявляется при соприкосновении жидкости с твердым телом. Форма жидкости в этом случае определяется соотношением трех сил действующих на жидкость н обусловленных наличием поверхностного натяжения.
Краевой угол. При соприкосновении жидкости (область 1 на рис. 1.1) с твердым телом (область 3) и газовой средой (область 2) граница между фазами проходит по поверхностям, перпендикулярным к плоскости рисунка. К линии соприкосновения трех сред приложены три силы обусловленные взаимодействием. Краевой угол зависит только от природы трех соприкасающихся сред и не зависит от формы сосуда или силы тяжести. Из уравнения (1.3) т. е. поверхностное натяжение между газом и твердым телом» больше, чем между твердой поверхностью и жидкостью, то краевой угол 9 острый. Поверхность жидкости у твердой стенки приподнята и имеет погнутую форму мениска (см. рис. 1.1, а). В таком случае говорят, что жидкость частично смачивает твердую поверхность. При краевой угол 0 тупой, край жидкости опущен и ее .мениск выпуклый (см. рис. 1.1,6), т. е. жидкость не смачивает твердое тело. При полном смачивании твердого тела, когда 0 = 0, жидкость растекается по поверхности и равновесия между тремя соприкасающимися телами не достигается. Равным образом не устанавливается равновесие и при абсолютном несмачивании, т. е. 0=180°.
На краевой угол 0 оказывают влияние поверхностно-активные вещества, прежде всего через изменение а на межфазных поверхностях. Для угла смачивания наблюдается гистерезис — при перемещении границы раздела трех фаз вдоль ранее смоченной поверхности краевой угол 0 оказывается меньше, чем при перемещении по несмачиваемой поверхности. На краевой угол смачивания влияет шероховатость поверхности, а также наличие электростатического заряда, который возникает вследствие электрокапиллярного эффекта, изменяющего значение о. Поскольку краевой угол 0 и эффекты смачивания существенны для нахождения ограничений переносимой мощности в тепловых трубах, имеет смысл рассмотреть их подробнее.
Различают смачивание физическое, или обратимое, и химическое, или необратимое. Первое определяется силами молекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса), второе — действием ионных и гомополярных сил. Силы, действующие при физическом смачивании, относительно невелики. При химическом смачивании силы существенно больше. У границы раздела фаз жидкость — твердое тело образуется двойной электрический слой, мощным силовым взаимодействием которого и обеспечивается хорошее смачивание. Изменение физических свойств поверхности, например окисление, приводит к изменению заряда внутренней обкладки двойного электрического слоя, а в ряде случаев и знака заряда, что ведет к изменению смачиваемости. Посредством нанесения покрытий и введения добавок в теплоноситель можно воздействовать на смачиваемость.
Краевые углы характеризуют макрокартину смачивания. Однако нельзя забывать о том обстоятельстве, что трехфазный периметр образуется не непосредственно на твердой стенке, а на тонком слое жидкости, который покрывает контактирующую с паром стенку. Между толщиной такой микропленки и краевым углом имеется непосредственная связь: чем тоньше пленка, тем больше краевой угол. При нулевой толщине микропленки краевой угол равен 180°.
В фитилях тепловых труб испарение происходит как с поверхности менисков макрообъемов жидкости, так и с поверхности микропленок. Однако транспортировка жидкости в тонких слоях мала, и, по-видимому, поэтому их роль в испарительных процессах незначительна. Свойства жидкости в тонких слоях отличаются от свойств жидкости в макрообъемах. Это вызвано силами молекулярного и электростатического взаимодействия молекул пристенного слоя жидкости и молекул твердой стенки. Вследствие такого взаимодействия у полярных жидкостей (воды, спиртов, ацетона) происходит ориентация дипольных молекул относительно поверхности твердого тела и соответственно снижение их подвижности — структурирование. Влияние стенки на жидкость проявляется на относительно большом расстоянии— порядка 1(Н мкм. При этом физические свойства жидкости, такие, как теплопроводность, вязкость, удельное сопротивление, могут в тонком слое отличаться от свойств макрообъемов жидкости. Для неполярных жидкостей различие свойств жидкости в объеме и у стенки может быть вызвано поверхностной концентрацией примесей. Так как свойства и, следовательно, химические потенциалы жидкости в объеме и в тонком слое у стенки неодинаковы, то в изотермических условиях в тонком слое должно возникнуть добавочное давление
Из (1.7) следует, что давление в слое жидкости, развивающей положительное расклинивающее давление, ниже, чем в граничащем с ним объеме жидкости.
Капиллярные явления, капиллярный потенциал. Взаимодействие жидкости с другой средой чаще всего приводит к искривлению ее поверхности. Искривление поверхности жидкости ведет к появлению дополнительных сил, действующих на находящуюся под поверхностью жидкость. Если рассмотреть каплю жидкости, то будет видно, что стремление ее поверхности уменьшить свои размеры приводит к сжатию капли, т. е. к увеличению внутреннего давления. Давление в жидкости, таким образом, будет больше давления окружающей среды. Разность этих давлений называют поверхностным, или капиллярным, давлением Ркап- При уменьшении размеров сферической капли производится работа за счет капиллярных сил, равная убыли поверхностной энергии, т. е.
Формула (1.9) применима также и для пузырька газа или пара внутри жидкости. Избыточное давление направлено к центру кривизны поверхности, т. е. в сторону среды, поверхность которой вогнута. Поэтому при выпуклой поверхности избыточное давление направлено внутрь жидкости и добавляется к давлению окружающей среды. Для вогнутой поверхности давление в жидкости меньше давления окружающей среды или давления под плоской поверхностью. Это соответствует тому, что в формуле (1.9) радиус кривизны для вогнутой поверхности, когда центр кривизны находится вне жидкости, считают положительным, а для выпуклой — отрицательным. При увеличении радиуса кривизны (R-+oo) поверхностное давление уменьшается и обращается в нуль. Капиллярное давление для цилиндрического мениска (в этом случае S — 2nRh, V = nR2h, где h — высота цилиндра; R — его радиус) в соответствии с исходным уравнением (1.8) равно
В общем случае для поверхности произвольной формы капиллярное давление выражается формулой Лапласа [см. (В.1)] Максимальная кривизна мениска жидкости, находящейся в равновесии внутри капиллярной поры, связана с размером краевого, угла. В частности, минимальный радиус кривизны мениска в .круглой капиллярной трубке не может превышать величину
В фитилях тепловых труб поры часто имеют сложную геометрическую форму, для которой максимальное капиллярное давление нельзя вычислить, используя простые соотношения, и его приходится определять экспериментально. В этом случае удобно ввести величину эффективного радиуса поры и максимальное капиллярное давление определять из соотношения
Использование удобно тем, что легко определить для различных температурных условий и различных теплоносителей, если известно изменение а с температурой и не зависит от а и 0. Следует заметить, что при сложной геометрии мениска иногда наблюдается зависимость Raф от а и 0.
Поверхность жидкости в сосуде всегда имеет некоторую кривизну вблизи стенок, где заметную роль играют силы взаимодействия молекул жидкости и стенок. Когда свободная поверхность жидкости невелика, влияние стенок существенно для описания свойств поверхности — она оказывается искривленной на всей протяженности. В этом случае расстояния между твердыми поверхностями, ограничивающими жидкость, сравнимы с радиусами кривизны менисков и сами сосуды называют капиллярными. Поверхностные явления в таких сосудах называют капиллярными явлениями. Наиболее характерные капиллярные явления — капиллярное всасывание, а также капиллярный подъем или опускание жидкости в капиллярном канале, погруженном в жидкость. При смачивании жидкостью стенки канала (0