КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Смачивание и поверхностное натяжение
Смачивание детали дефектоскопическими материалами - главное условие капиллярного контроля. Смачивание определяется взаимным притяжением молекул жидкости и твердого тела. Как известно, на границе двух сред, например, жидкость-воздух, силы взаимного притяжения между молекулами жидкости и воздуха отличаются от сил притяжения между молекулами внутри воды и внутри воздуха. Контактирующие среды вблизи поверхности обладают некоторым избытком потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри. Этот избыток называется свободной энергией поверхности. Свободная энергия молекул на поверхности больше чем у молекул внутри. В связи с тем молекулы стремятся уйти внутрь и в результате среда вынуждена приобретать форму с минимальной наружной поверхностью. Так жидкость в невесомости под влиянием этого явления приобретает форму шара. В результате поверхности стремятся сократиться, и возникает сила поверхностного натяжения. Величину поверхностного натяжения определяют работой, измеряемой в Дж/м2, необходимой для образования единицы площади поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз. Величину поверхностного натяжения часто называют силой поверхностного натяжения. Если на границе раздела сред выделить произвольную площадку, то натяжение рассматривают как результат действия распределенной силы, приложенной к периметру этой площадки. Направление сил - по касательной к границе раздела и перпендикулярно периметру. Силу, отнесенную к единице длины периметра, называют силой поверхностного натяжения, измеряют в Н/м и обозначают σ. Два равноправных определения поверхностного натяжения соответствуют двум применяемым для его измерения единицам: Дж/м2 и Н/м. С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается. Ниже, в таблице 2.1. даны величины поверхностного натяжения для наиболее распространенных дефектоскопических материалов при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении. Как видно из таблицы, в капиллярной дефектоскопии используются жидкости с относительно низким поверхностным натяжением.
Таблица 2.1. Величины поверхностного натяжения для некоторых дефектоскопических жидкостей при температуре 20° С и нормальном атмосферном давлении
Для иллюстрации природы явления смачивания рассмотрим каплю жидкости, лежащую на поверхности твердого тела (рис. 2.1). Силой тяжести пренебрегаем, т.к. капля мала. На единицу длины периметра, где соприкасаются твердое тело, жидкость и газ, действуют три силы поверхностного натяжения, направленные по касательным к соответствующим границам раздела: твердое тело - газ σтг, твердое тело - жидкость σтж и жидкость-газ σжг. Как правило, во всех справочниках для σ г принято обозначение σ. Когда капля находится в состоянии покоя, равнодействующая проекций этих сил на поверхность твердого тела равна нулю:
σ∙cos θ + σтж - σтг = 0; cos θ = (σтг - σтж ) / σ(2.1)
Угол θ называют краевым углом смачивания. Он измеряется со стороны жидкости. Если σтг > σтж, то он острый. Из рис. 2.1 видно, что при этом жидкость смачивает твердое тело. Чем меньше θ, тем сильнее смачивание. Предельный случай θ = 0 будет соответствовать полному смачиванию, т.е. растеканию жидкости по поверхности твердого тела до толщины молекулярного слоя. Если σтг < σтж, то угол θ > 90о тупой и cos θ отрицателен (рис. 2.2). Это означает, что жидкость не смачивает твердое тело. Формальным пределом смачивания и несмачивания взят угол θ = 90o(смачивание 0< θ <90°и несмачивание 90°< θ <180°).При этом в первом случае жидкость будет подниматься в капилляре, а во втором - опускаться ниже уровня в сосуде (рис. 2.2). Поверхностное натяжение характеризует свойство самой жидкости, а σ∙cos θ− смачиваемость этой жидкостью поверхности твердого тела. Составляющую силы поверхностного натяжения σ∙cos θ"размазывающую" каплю по поверхности, иногда называют силой смачивания. Для большинства хорошо смачивающих веществ cos θблизок к единице, например, для границы стекла с водой он равен 0.685, с керосином - 0.90, с этиловым спиртом - 0.955.
Рис. 2.1. Смачивание (θ < 90 ) поверхности твердого тела жидкостью: σтж - поверхностное натяжение на границе ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ; σ тг - поверхностное натяжение на границе ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ГАЗ; σ жг - поверхностное натяжение па границе ЖИДКОСТЬ- ГАЗ; θ - краевой угол смачивания (измеряется со стороны границы раздела жидкость - твердое тело)
Рис. 2.2. Несмачивание (θ > 90°) поверхности твердого тела жидкостью
Сильное влияние на смачивание оказывает состояние поверхности, ее микрорельеф и чистота. Например, слой масла на поверхности стали или стекла резко ухудшает ее смачиваемость водой, σ∙cos θ становится отрицательным. Поэтому понятна роль очистки поверхности от жиров, масел и других загрязнений детали перед капиллярным контролем.
|