余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性; 它是真实热力学过程发生的必要条件。

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杨氏方程与液固界面润湿

已有 4788 次阅读 2022-6-24 11:05 |系统分类:教学心得

    本文拟结合杨氏方程,介绍各种液-固界面润湿现象与接触角的关系.

  1. 杨氏方程

    杨氏方程是1805年英国人Thomas Young提出的水平方向上界面张力的力平衡方程[1],参见如下图1.

                                    无标题1杨氏方程.jpg

                                                 图1. 接触角与各界面张力关系示意图

       图1为接触角与各界面张力关系示意图,图1中θ为接触角,在温度、压强等条件确定前提下,接触角是由固体表面的液体形状决定,它的大小决定了固体-液体界面的润湿情况, 通常情况下接触角可以采用技术手段实测.

       图1中γlγsγls分别代表液体表面张力、固体表面张力及固液界面张力.

       由图1水平方向的力分析可知:γs=γls+γl·cosθ          (1)

       式(1)即称杨氏方程.

       需指出现阶段γl的数据可查工具书获取,γsγls数据多数情况下仍未知, 因此多数情况下,杨氏方程只具有象征意义.

 2. 润湿现象

       固液界面润湿现象包括沾湿、浸湿及铺展三种情况,参见如下图2.

                             无标题2润湿现象.jpg

                                       图2. 沾湿、浸湿及铺展三种固液界面润湿情况示意

       图2为沾湿、浸湿及铺展三种固液界面润湿情况的始末态示意图.

 2.1 沾湿

       沾湿是图2中最左边两张图片,始态系统有一个固体及一个液体个体组成,终态是固体粘附于液体表面;该过程:ΔG沾湿=γls-γs-γl<0               (2)

       将式(1)代入式(2)可得:ΔG沾湿=γls-(γls+γl·cosθ)-γl<0    

       整理上式可得:ΔG沾湿=-γl·(1+cosθ)<0        (3)

       由式(3)可知:θ<180°时式(3)恒成立,这表明液固界面,θ<180°时沾湿一定可以发生.

 2.2 浸湿

       浸湿是图2中中间两张图片,始态于沾湿相同,终态固体完全浸没于液体之中.该过程:

ΔG浸湿=γls-γs<0   (4)

       将式(1)代入式(4)可得:ΔG浸湿=γls-γs=γls-(γls+γl·cosθ)<0   

       整理上式可得:ΔG浸湿==-γl·cosθ<0       (5)

       由式(5)可知:θ<90°时式(5)成立,这表明固液界面发生浸湿的条件是接触角θ<90°.

 2.3 铺展

       铺展是图2中最右边两张图片,始态是液滴+固体表面,终态是液滴在固体表面完全铺展开来.该过程:

ΔG铺展=γls-γs+γl<0               (6)

       将式(1)代入式(6)可得:ΔG铺展=γls-γs+γl=γls-(γls+γl·cosθ )+γl<0               

       整理上式可得:ΔG铺展=γl·(1-cosθ)<0       (7)

       由式(7)可知,只有θ=0°或不存在时,式(7)可以成立,这表明液体在固体表面铺展的条件是接触角θ=0°或不存在.

       需指出,固液界面发生沾湿无实际意义,浸湿现象实际上也不会出现,只有铺展可以遇到.

       由于接触角可以实测,通常情况下可根据接触角的大小,估判液体对固体的润湿程度, 通常规定:

       θ<90°,可以润湿;

       θ>90°,不润湿.

       θ=0°或不存在时,可以铺展.

 3. 结论

  ⑴杨氏方程只具有象征意义;

  ⑵接触角θ<90°时,液体可以润湿固体表面;

  ⑶接触角θ=0°或不存在时,液体可以在固体表面铺展.

 参考文献

[1]天津大学物理化学教研室编. 物理化学(下册,第四版).北京:高等教育出版社,2001,12:175-178.



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