Forte moleculare la contactul lichid – solid. meniscuri. formula lui laplace

Forte moleculare la contactul lichid – solid. Meniscuri. Formula lui Laplace

Datorita tensiunii superficiale, suprafata libera a unui lichid in echilibru, aflat in contact cu alte medii, ia o forma curba, numita menisc. La suprafata de contact solid – lichid apar de asemeni forte de atractie moleculara, denumite forte de adeziune in timp ce fortele ce actioneaza intre molecule mai sunt denumite si forte de coeziune. In functie de raportul intensitatii acestor doua forte, apar doua cazuri diferite, reflectate in forma stratului superficial la suprafata de separatie dintre lichid si solid. Parametrul care caracterizeaza meniscul este unghiul format de tangenta la suprafata lichidului cu suprafata solida cu care este in contact, numit unghi de udare sau unghi de racordare.

a. Cazul in care fortele de coeziune sunt mai mari decat fortele de adeziune. In acest caz, suprafata de contact dintre lichid si solid are tendinta de micsorare, iar unghiul de udare este mai mare decat π/2 (Fig.3.4).

Se spune despre lichidele care sunt in aceasta situatie ca nu uda peretii vasului, iar suprafata lichidului in apropierea vasului (meniscul) este concava.

b. Cazul in care fortele de coeziune sunt mai mici decat fortele de adeziune. In acest caz, unghiul de udare este mai mic decat π/2 (Fig.3.5). Se spune despre lichidele care sunt in aceasta situatie ca uda peretii vasului, iar suprafata lichidului in apropierea vasului (meniscul) este convexa.

Trebuie precizat ca aceasta comportare a suprafetei libere a lichidului la suprafata de contact cu solidul depinde (intr-o mica masura) si de natura gazului aflat in contact cu lichidul. Un alt parametru care influenteaza forma meniscului este puritatea celor trei medii aflate in contact.

Existenta meniscului determina aparitia unei presiuni suplimentare Δp, fata de cea exercitata de suprafata plana a lichidului. Expresia matematica a presiunii suplimentare a fost obtinuta de Laplace (1807). Pentru o suprafata sferica se poate scrie:

29(3.9)

iar pentru o suprafata cilindrica:

30 (3.10)

Aceasta suprapresiune este importanta in cazul picaturilor de lichid in aer sau invers, al picaturilor de aer in lichid. Sub actiunea fortelor de tensiune superficiala, picaturile iau forma sferica, datorita conditiei fizice de atingere a unui minim al energiei potentiale (3.2). Pentru un volum dat, forma sferica are suprafata cea mai mica si de aceea si forma picaturilor este sferica. Daca pentru picaturile de aer in lichid nu mai apar alte probleme, picaturile de lichid sunt supuse si actiunii greutatii proprii, astfel incat, o data cu cresterea in dimensiune, forma picaturii se departeaza tot mai mult de sfera, ea aplatizandu-se. Dupa cum se poate vedea din relatia (3.9), suprapresiunea data de fortele superficiale este invers proportionala cu raza bulei, ea fiind cu atat mai importanta cu cat raza este mai mica. Folosind datele din tabelul 3.1. intr-o bula de aer cu raza de un micron, aflata in apa presiunea atinge o valoare de 1.46x10⁵ N/m², adica mai mare decat presiunea atmosferica.