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接觸角
編輯接觸角是液體-蒸汽界面與固體表面相交的角度,通常通過液體測量。 它通過楊氏方程量化液體對固體表面的潤濕性。 在給定溫度和壓力下,給定的固體、液體和蒸汽系統具有獨特的平衡接觸角。 然而,在實踐中經常觀察到接觸角滯后的動態現象,范圍從前進(xxx)接觸角到后退(最小)接觸角。 平衡接觸在這些值內,并且可以從它們計算出來。 平衡接觸角反映了液體、固體和蒸汽分子相互作用的相對強度。
接觸角取決于液體自由表面上方的介質,以及接觸的液體和固體的性質。 它與固體相對于液體表面的傾角無關。 它隨表面張力而變化,因此隨液體的溫度和純度而變化。
熱力學
編輯液氣界面的形狀由 Young-Dupré 方程確定,接觸角通過 Young 方程充當邊界條件。
接觸的理論描述源于對三相之間熱力學平衡的考慮:液相 (L)、固相 (S) 和氣相或氣相 (G)(可能是環境大氣的混合物) 和液體蒸氣的平衡濃度)。 (氣相可以用另一種不混溶的液相代替。)如果固-氣界面能用 γ S G {\displaystyle \gamma _{SG}} 表示,則固-液界面能用 γ S L { displaystyle \gamma _{SL}} ,以及 γ L G {\displaystyle \gamma _{LG}} 的液氣界面能(即表面張力),然后是平衡接觸角 θ C {\ displaystyle \theta _{\mathrm {C} }} 由 Young 方程根據這些量確定
修正的楊氏方程
Thomas Young 于 1805 年報告了關于平面上固著液滴的接觸角和表面張力之間關系的最早研究。一個世紀后,吉布斯提出了對楊氏方程的修正,以解釋接觸角的體積依賴性。 吉布斯假設存在線張力,它作用于三相邊界并解釋了固-液-氣相界面匯合處的過剩能量
其中 κ[N] 是線張力,a[m] 是液滴半徑。 盡管實驗數據驗證了接觸角的余弦與反線半徑之間的仿射關系,但它沒有說明 κ 的正確符號,并且高估了其值幾個數量級。
考慮線張力和拉普拉斯壓力的接觸角預測
隨著原子力顯微鏡、共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡等測量技術的改進,研究人員能夠產生更小尺度的液滴并對其成像。 隨著液滴尺寸的減小,出現了新的潤濕實驗觀察結果。 這些觀察結果證實,修正后的楊氏方程在微納米尺度上不成立。 Jasper 提出,在自由能的變化中包含 V dP 項可能是解決如此小尺度接觸角問題的關鍵。 鑒于自由能的變化在平衡時為零:
自由液汽邊界處的壓力變化是由拉普拉斯壓力引起的,它與平均曲率成正比。
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