Когезия. Адгезия. Работа адгезии. Уравнение Дюпре–Юнга

Если соприкасаются две поверхности твердого тела, т.е. судить о смачивании невозможно, то вводится аналогичное смачиванию понятие адгезии как явления и меры взаимодействия двух поверхностей твердых тел.

В гетерогенных системах различают два вида межмолекулярных сил взаимодействия:

1) притяжение между атомами и молекулами внутри фазы;

2) взаимодействие между молекулами различных фаз.

Если имеется система, состоящая из молекул однородной жидкости (например, вода), то для создания новых поверхностей раздела (например, вода – воздух) потребуется затрата работы. Эта работа, затраченная на преодоление сил сцепления между молекулами однородной жидкости, называется работой когезии. Когезия описывается силами взаимодействия одноименных частиц. Когезию характеризуют такие параметры как энергия кристаллической решетки, энергия парообразования, температура кипения, равновесное давление пара.

Межфазное взаимодействие или взаимодействие между приведенными в контакт поверхностями конденсированных фаз разной природы называетсяприлипаниемилиадгезией.

Если имеются две взаимно нерастворимые жидкости, либо жидкость и твердое тело, или два твердых тела, приведенных в тесный контакт друг с другом, то для создания новой поверхности раздела (их разделения) нужно затратить работу на преодоление сил сцепления между разными молекулами. Такая работа называется работой адгезии.

Работа адгезии W_А равна работе обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади.

Работа адгезии W_А измеряется в единицах [Дж/м²].  

Полная работа адгезии по поверхности

W_S = W_А · S.

Процесс образования адгезионной связи делится на 2 стадии:

1) транспортная стадия – перемещение молекул адгезива к поверхности тела, на которую он наносится. Первая стадия зависит от фазовых процессов, которые проходят при этом и от состояния поверхности и способа ее обработки.

2) ориентирование молекул в межфазном адгезионном слое, стадия непосредственного взаимодействия адгезива и поверхности твердого тела. Это взаимодействие может определяться различными силами от сил Ван-дер-Ваальса (от 100 до 1 нм) до химических сил ковалентной связи (менее 0,5 нм).

Различают три случая адгезии.

1. Адгезия между двумя жидкостями, не смешивающимися друг с другом. Состояние поверхности каждой фазы характеризуется величиной поверхностного натяжения.

Для иллюстрации понятия адгезии служит рис. 3.16. Предположим, что цилиндр содержит две жидкости 1 и 3 (ССl₄ и Н₂О). Осуществим разрез по стрелке так, чтобы разрезающая плоскость проходила через имеющуюся поверхность раздела между несмешивающимися жидкостями. s_1,3 исчезнет при мысленном разделении жидкостей 1 и 3 в среде 2.

Рис. 3.16. Схема, иллюстрирующая понятие адгезии

Для определения W_а сравниваются силы поверхностного натяжения. Работа адгезии, т.е. работа, которая нужна для разделения единицы поверхности одной жидкости от другой, определяется по уравнению Дюпре:

W_А = – D G = G_кон – G_нач = s_1,2 + s_2,3 – s_1,3.

Процесс самопроизвольный, должен идти в сторону уменьшения поверхностной энергии.

Уравнение Дюпре отражает закон сохранения энергии при адгезии. Из уравнения следует, что работа адгезии тем больше, чем больше поверхностное натяжение исходных компонентов, и чем меньше конечное межфазное натяжение.

На основании схемы рис.3.16. для однородной жидкости (например, воды) могут образоваться две поверхности раздела вода – воздух. Тогда можно определить работу когезии:

W_К = 2s_1,2,

где s_1,2 – поверхностное натяжение на границе воздух – вода.

2. Адгезия между жидкостью и твердым телом. Адгезия хорошая, если жидкость смачивает твердую поверхность. На поверхности твердого тела 3 находится капля жидкости 1 в среде 2 (см. рис. 3.13).

По уравнению Дюпре работу адгезии вычислить нельзя, так как s_1,3 и s_2,3 неизвестны. s_1,3 и s_2,3 можно исключить из уравнения Дюпре, заменив их с помощью уравнения Юнга. Косвенно работу адгезии можно определить через краевой угол смачивания и поверхностное натяжение жидкости по уравнению Дюпре–Юнга.

Уравнение Юнга:

s _2,3 = s _1,3 + s _1,2 cosq.

Уравнение Дюпре:

W_а = s _1,2 + s _2,3 – s _1,3.

Дата добавления: 2015-08-20