«Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина»

АСПЕКТЫ РАСЧЕТА СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ КАПЛИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

УДК: 547
DOI: 10.33285/2073-9028-2020-4(301)-141-148

Авторы:

¹ Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, г. Белгород, Российская Федерация

Ключевые слова: уравнение Юнга, краевые углы смачивания, параметрическая модель смачивания, изобарно-изотермический потенциал

Аннотация:

Проведен анализ модели смачивания, основанный на измерении площадей границ раздела контактирующих фаз: жидкость-газ, твердое тело-газ, твердое тело-жидкость. Показано, что в расчетах изобарно-изотермического потенциала ΔF при смачивании необходимо учитывать все основные компоненты поверхностных энергий (свободную энергию капли до процесса смачивания). Указанное условие является достаточно важным, если в процессе смачивания не реализуется вариационный принцип минимума энергии - форма капли до процесса смачивания не является сферической, а процесс смачивания является неравновесным или необходим учет сил гравитации при больших размерах капли, а для капли воды с малым радиусом (менее 0,5 мм) все случаи смачивания можно интерпретировать, представляя каплю в виде сферического сегмента с различной высотой сечения. Для повышения точности определения параметров смачивания необходимо ввести безразмерный параметр m, равный отношению высоты сечения сферического сегмента к его радиусу. Гистерезисные явления при использовании параметра m в меньшей степени влияют на точность измерений, так как в измерениях определяют не контактные углы смачивания, а линейные характеристики капли. Установлены формулы для расчета работы адгезии, изобарно-изотермического потенциала в зависимости от параметра смачивания m , а также выявлены условия, при которых изменение изобарно-изотермического потенциала в процессе смачивания равно нулю. Применение параметрической модели смачивания позволяет повысить точность измерений, расчетов термодинамических параметров смачивания. Модель имеет преимущества при исследовании систем, в которых затруднены измерения краевого угла смачивания.

Список литературы:

1. Young T. An Essay on the Cohesion of Fluids. Phil. Trans. R. Soc. Lond., 1805, no. 95, p. 65-87.
2. Wenzel R.N. Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. Industrial & Engineering Chemistry, 1936, vol. 28, p. 988-994.
3. Дерягин Б.В. О зависимости краевого угла от микрорельефа или шероховатости смачиваемой поверхности//Доклады АН СССР. — 1946. — Т. 51. — № 5. — С. 357-360.
4. Cassie A.B.D., Baxter S. Wettability of Porous Surfaces. Transactions of the Faraday Society, 1944, vol. 40, p. 546-551.
5. Самсонов М.В., Самсонов В.М. О краевых условиях смачивания для шероховатой твердой поверхности//Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов/Под ред. В.М. Самсонова, Н.Ю. Сдобнякова. Межвуз. сб. науч. тр. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2015. — Вып. 7. — 427 с.
6. Kwangseok Seo, Minyoung Kim, Do Hyun Kim. Re-derivation of Young’s Equation, Wenzel Equation, and Cassie-Baxter Equation Based on Energy Minimization//Surface-energy//Section 2: Derivation with simple mathematics, 2015, 7 р.
7. Bormashenko Е. Physics of solid—liquid interfaces: from the Young equation to the superhydrophobicity. Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur, 2016, vol. 42, no. 8, p. 792-808.
8. Ababneh A., Amirfazli A., Elliott J.A. Effect of Gravity on the Macroscopic Advancing Contact Angle of Sessile Drops. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2006, no. 84, p. 39-41.
9. Diana A., Castillo M., Brutin D., Steinberg T. Sessile Drop Wettability in Normal and Reduced Gravity. Microgravity Sci. Technol, 2012, no. 24, p. 195-202.
10. Zhu Z-Q., Wang Y., Liu Q-S., Xie J-C. Influence of Bond Numbers on Behaviors of Liquid Drops Deposited onto Solid Substrates. Microgravity Sci. Technol, 2012, no. 24, p. 181-188.
11. Allen J.S. An analytical solution for determination of small contact angles from sessile drops of arbitrary size. Journal of Colloid and Interface Science, 2003, no. 261, p. 481-489.
12. Lippman G.J. Beziehungenzwischen der Capillaren und elektrischen Erscheinungen. Ann. Physik und Chemie (Series 2), 1873, no. 149, p. 546-561.
13. Lаwrence J., Parsons R., Payne R.J. ElectrosorptionValency and Partial Charge Transfer. Electroanal. Chem., 1968, no. 16, p. 193.
14. Marey E.J., Lippman G.J. In ion photographique des indications de l’électromètre de Lipp- man. Compt. rend. Acad. Sci. (Paris), 1876, no. 83, p. 278-280.
15. Rusanov A.I. On the theory of wetting elastic-deformable bodies. Kolloidnyj zhurnal, 1977, vol. 39, no. 4, p. 704-717 (in Russian).
16. Лопанов А.Н., Тихомирова К.В. Параметрические модели смачивания//Успехи современного естествознания. — 2016. — № 11. — С. 18-23.
17. Тихомирова К.В. Коллоидно-химические аспекты агрегации и электропроводности углеродных частиц в электролитах и цементном камне: Автореф. дисс. канд. техн. наук. — Белгород, 2018. — 23 с.