Жұғу құбылысы

Жұғу құбылысын қатты дененің бетіне сұйықты тамызу арқылы қарастырайық. Сұйықты қатты дененің бетіне тамызғанда мынадай жағдайлардың біреуі орындалуы тиіс.

Сұйық қатты дененің бетіне толық жұғады да, соның нəтижесінде

ол дененің бетіне жайылып, біркелкі таралады. Жұғу бұрышы бұл кезде 0 градусқа жуық келеді. Мұндай жағдай таза шынының бетіне суды тамызғанда байқалады. Толық жұғу сұйықтың молекулаларының қатты дененің молекулаларымен əрекеттесуі, олардың өзара əрекеттесуінен басым болғанда орын алады.

2. Сұйық қатты дененің бетіне шекті (жартылай) жұғады. Сонда сұйық қатты дененің бетінде белгілі бір пішінде (жартылай шар түрінде) қалып қояды. Жұғу бұрышы 0 градустан үлкен, 180 градустан кіші болады. Мұндай жағдай сұйық молекулаларының өзара əрекеттесу күші, сұйық молекулаларының қатты дене молекулаларымен əрекеттесу күшіне жуық болғанда байқалады. Шекті жұғу суды графиттің немесе күкірттің бетіне тамызғанда байқалады.

3. Сұйық қатты дененің бетіне мүлдем жұқпайды. Бұл кезде сұйық бетте шар тəрізді тамшы түрінде қалып қояды да, жұғу бұрышы 1800 - қа жуық болады. Мұндай жағдай сұйық молекулаларының өзара əрекеттесу күші, олардың қатты дене молекулаларымен əрекеттесу күшінен басым болғанда орын алады. Мысалы суды парафиннің бетіне тамызғанда оның жұқпауы байқалады.

Шеткі жұғу бұрышы

Сұйықтың дененің бетіне жұғуы шеткі жұғу бұрышы (θ) арқылы сипатталады. Сұйық тамшысын қатты дененің бетіне тамызғанда үш фазааралық бөлу беттері пайда болады: қатты дене-газ (қ/г), қатты дене-сұйық (қ/с) жəне сұйық-газ (с/г) бөлу беттері (5. 9-сурет) . Бөлу беттерінің бірлік периметріне фазааралық керілу күштері əсер етеді, оларды σқ/г, σқ/c жəне σc/г деп белгілейік. О нүктесі үш фазаның түйісу нүктесі деп аталады. Сонда шеткі жұғу бұрышы немесе қысқаша жұғу бұрышы деп - үш фазаның түйісу нүктесі арқылы сұйық тамшысының бетіне жүргізілген жанаманың қатты дененің бетімен жасайтын, сұйыққа қарай өлшенген бұрышын айтады (5. 9-сурет) .

5. 9-сурет. Жұғу құбылысына түсініктеме

Жартылай жұғу жағдайын қарастыратын болсақ, тепе-теңдік күй орнаған кезде фазааралық бөлу беттеріне əсер ететін беттік керілу күштерінің қосындысы нөлге тең болуы тиіс. Олай болса, σc/г беттік керілу күші денемен θ бұрыш жасағанда, оның жазықтыққа проекциясы σc/г cosθ мəніне тең болатындығын еске алсақ (5. 9-сурет), тепе-теңдік күйде мына теңдеу орындалады:

σқ/г= σқ/c + σс/ г cos θ

Бұдан жұғу бұрышын табатын болсақ:

cosθ = (σқ/г - σқ/c) /σс/г (5. 28)

Бұл теңдеу - Юнг теңдеуі деп аталады. cosθ=В сұйықтың жұғу қабілетін сипаттайды. Сондықтан оны жұғу деп атайды. Толық жұғу жағдайында (θ≈0градус), cosθ =1, ал сұйық мүлдем жұқпаған кезде (θ ≈180градус ), cosθ ≈ -1 тең. Юнг теңдеуінен мынадай қорытынды жасауға болады. Сұйықтың қатты дене бетіне жұғу-жұқпауы фазааралық керілу күштерінің арақатынасы арқылы анықталады. σқ/г>σқ/c болғанда, сұйық дененің бетіне жақсы жұғады; керісінше, σқ/г < σ қ/c орындалса, сұйық нашар жұғады; (σқ/г - σқ/c) ≈ σc/г орындалғанда толық жұғу (жайылу) құбылысы орын алады.

Сұйықтың қатты дене бетіне жұққанда бөлінетін жылудың бірлік ауданға шаққандағы мөлшерін меншікті жұғу жылуы деп атайды.

Жұғу құбылысының шарты ретінде жайылу коэффициентін де (f) алуға болады:

f= Wa - Wk = σқ/ г - σc/ г - σқ/c (5. 29)

f - мəні оң болса, сұйық дененің бетіне жайылады, теріс болған жағдайда - жайылмайды.

Юнг теңдеуін ескере отырып, адгезия жұмысының теңдеуін (5. 24- теңдеу) жұғу бұрышы арқылы қайта жазуға болады:

Wa = σқ/г+ σc/г - σқ/c = σc/ г (1+ cos θ) (5. 30)

(5. 30) теңдеуі - Юнг-Дюпре теңдеуі деп аталады. Бұл теңдеудің көмегімен қатты жəне сұйық фазалар арасындағы адгезия жұмысының шамасын есептеуге болады. Юнг теңдеуіндегі сұйықтың беттік керілуін когезия жұмысымен (WK=2σc/г) алмастыра отырып, жұғу бұрышын адгезия жəне когезия жұмыстары арқылы да өрнектеуге болады:

cos θ = ( 2 Wa - Wk ) / Wk

Капиллярлық қысым

Фазааралық бөлу бетінде еркін энергияның артық мөлшері шоғырланғандықтан, жүйе əрқашан өзінің энергиясын азайтуға ұмтылады. Бұл бөлу бетінің ауданын (S) кішірейту арқылы іске асы- 60 рылады, өйткені ΔG = σΔS. Сол себептен, сұйық тамшысы ауырлық күші əсер етпейтін жағдайда, немесе екінші бір сұйық көлемінде шар түріне ие болады. Өйткені шар бетінің ауданы басқа пішіндердікінен (цилиндрлік, төрт бұрыштық, т. б. ) кіші. Бөлу бетінің майысуы жанасушы фазалардағы қысымдардың өзгеруіне əкеледі. Ал фазалардағы қысымдардың өзгерісі бөлу бетінің майысуы артқан сайын өсе түседі.

Енді фазалар арасындағы қысымдар айырымы (Δр) мен беттің майысу радиусі (r) арасындағы байланысты табу үшін өзара араласпайтын екі сұйық арасындағы бөлу беті майысқанда фазалардағы ішкі қысымдар қалай өзгереді, соны қарастырайық (5. 11-сурет) . Фазааралық бөлу беті майысқанда беттің ауданымен бірге фазалардың көлемдері де өзгеріске ұшырайды, сонда dV1 = -dV2 = dV. Нəтижесінде беттік энергияның шамасы (σ⋅dS) -ке өзгереді. Ал көлемнің өзгеруі нəтижесінде фазалардың энергиялары р1 dV1 жəне p2 dV2 шамаларға өзгереді (мұндағы р1 мен р2 - фазалардағы қысымдар) .

5. 11 - сурет. Беттің майысуы нəтижесінде сұйықтың ішкі қысымының өзгеруі

Енді термодинамиканың 1- жəне 2-заңдарына сүйене отырып, бөлу бетінің майысуы барысында жүйенің Гельм-гольц энергиясының өзгерісін қарастырайық:

dF = -SdT - pdV +σ dS + Σμidni (5. 33)

Фазалар арасында зат тасымалдануы болмаса (dni = 0) жəне температура тұрақты болғанда (dT= 0), жоғарыдағы теңдеу былайша жазылады:

dF = - p dV + σ dS (5. 34)

Сонда берілген екі фазалы жүйе үшін:

dF=-p1 dV1 -p2 dV2 +σdS (5. 35)

Жүйеде тепе-теңдік күй орнаған жағдайда:

dF = - p1 dV1 - p2 dV2 + σdS = 0 ( 5. 36)

dV = dV1 = - dV2 екендігін еске алсақ, онда

(p1 - p2 ) dV2 + σ dS = 0; Δp = p2 - p1 = σ dS dV (5. 37)

мұндағы, Δp - фазалар көлемдеріндегі қысымдардың айырымы, капиллярлық қысым; dS dV - бөлу бетінің майысуы.

(5. 37) теңдеу - Лаплас теңдеуі деп аталады. Ол фазааралық бөлу беті майысқанда ішкі қысымдардың өзгеруін сипаттайды.

Енді радиусі r су тамшысының ішіндегі капиллярлық қысымның шамасын анықтайық. Шардың көлемі

V = 4 π ×r3

, ал бетінің ауданы S = 4πr2 екендігін еске алсақ, онда dV = 4πr2 dr; dS = 8πr dr.

Олай болса

Демек, тамшының көлемі (радиусі) кіші, ал сұйықтың беттік керілуі үлкен болған сайын тамшы ішіндегі капиллярлық қысым соғұрлым үлкен болады.

Цилиндр үшін r2 = ∞, сондықтан цилиндр ішіндегі капиллярлық қысым

Δ p = ± σ / r (5. 40)

Демек, тепе-теңдік күйде бөлу бетінің майысуы нəтижесінде пайда болатын қысымның артық шамасы əрқашан беттің майысу ортасына қарай бағытталған жəне бұл ереже жанасушы фазалардың агрегаттық күйлеріне байланысты емес. Егерде майысу ортасы сұйықтың ішінде жатса, онда сұйықтың ішіндегі қысым артады, керісінше майысу ортасы сұйықтың сыртында жатса, ол сұйықтың ішіндегі қысымды азайтады.