Теплота змочування

При змочуванні виділяється теплота, рівна різниці повних поверхневих енергій, чи ентальпій шарів після змочування Н ₂ і до змочування Н ₁ - зміна ентальпії змочування

.

Так як в результаті адсорбції енергія Гіббса рідини зменшується, то змен-шується і тиск її пари. Відповідно змінюється і температурна залежність цієї величини, тобто теплота випаровування l

де D V – різниця об’ємів пари та рідини. Різниця між теплотами випаровування чистої рідини і тої ж рідини, що змочує тверде тіло, і є теплота змочування. Таким чином, визначають ізотерми адсорбції і по залежності логарифма тиску пари від оберненої температури обчислюють теплоту змочування. Для визна-чення теплоти змочування дисперсних систем її переважно відносять до маси тіла.

Теплоту змочування визначають для систем з розвинутою поверхнею (по-рошків і пористих тіл). В розрахунку на 1 см² вона зазвичай знаходиться в ме-жах від 2∙10^-2 до 2∙10^-4 Дж/см², хоч і можуть мати місце різні коливання. На сьогоднішній день для визначення теплоти змочування використовують кало-риметрію.

Дуже важливим моментом явища змочування є капілярні явища, які базуються на змочуванні.

Поверхня рідини біля стінки посудини (капіляру), в якому вона налита (втягнута) викривлюється з утворенням увігнутого чи випуклого меніска. Якщо меніск вгнутий, то говорять, що рідина змочує тверду стінку, якщо випуклий – не змочує. Особливо добре замітний меніск, якщо рідина знаходиться в капілярі.

Вгнутий меніск отримують, наприклад, у тому випадку, коли вода на межі з повітрям стикається зі скляною стінкою, якщо рідина знаходиться в капілярі.

При контакті рідини з твердою стінкою і повітрям (або своєю парою) на молекули рідини діють три сили, що виникають внаслідок поверхневого натягу на трьох межах поділу фаз (рис.) 1- на межі рідина – повітря - s_2/3 = s_1/3,; 2 – тверда стінка – повітря - s_1/3; 3 – тверда стінка – рідина - s_2/3.

Розглянемо поведінки частинки рідини А, на яку діють всі ці три сили сили. Якщо s_2/3 = s_1/3, то поверхня розділу рідина – повітря буде горизон-тальною. При s_2/3 > s_1/3 частинка А та інші прилягаючі до неї частинки рідини будуть переміщуватись у напрямку дії надлишкової сили s_2/3, спрямованою вверх, завдяки чому меніск буде отримуватись вгнутим (рис.). Переміщення рідини буде відбуватись до тих пір, доки не наступить рівновага всіх сил, що діють на частинку А. Умовою рівноваги є рівність:

s_2/3 = s_1/3 + s_1/2 ´ соs Q,

звідки

.

Якщо s_2/3 < s_1/3, то утвориться випуклий меніск і

.

Величина cos Q характеризує здатність рідини змочувати дану поверхню і називається змочуванням. Якщо cos Q >0, то меніск вгнутий, якщо cos Q <0 – випуклий.

Рис із И.В.Красовский Физ. и кол. Хим. С 181.

 

Рис. Утворення меніска в капілярі: а – для незмочуючої; б – для змочуючої рідини.

У випадку капілярних явищ мірою змочування також виступає крайовий кут Q, утворений стінкою і дотичною до поверхні рідини біля стінки посудини (капіляру). Кут Q відраховують в бікмрідкої фази, як і у попередніх випадках. Якщо Q < 90^о, то відбувається (рис. б), при Q >90^о змочування не відбувається (рис. а).

Явище змочування спостерігається і привідсутності твердої стінки (поверхні), наприклад, крапля масла, поміщена на поверхню води, розтікається по ній тоненькою плівкою (рис. стор 181 И.В.Красовский) Тут поверхня розділу рідини подібна до твердої стінки і значення cos Q в цьому випадку дуже мале. Крапля рідини, навпаки, не змочує поверхню масла, в цьому випадку cos Q ¹0.

Фізична сутність явища змочування рідиною твердого тіла або рідини полягає в тому, що при змочуванні відбувається зменшення поверхневої енергії системи: поверхня із великим надлишком поверхневої енергії замінюється на поверхню з меншою енергією. При цьому, у відповідності із законами термо-динаміки завжди виділяється тепло, яке називаєься теплотою змочування. В більшості випадків теплота змочування коливається в межах від 0,4 до 40 Дж/м².