Зародження нової фази на поверхнях

 

Найбільш значною недосконалістю структури є поверхня розділу. Це відноситься, як до зовнішніх поверхонь, так і до границь зерен, або границь між фазами. Подібні поверхні розділу сприяють гетерогенному утворенню зародків нової фази.

Розглянемо зовнішню поверхню на рис. 2.3 із зародком нової фази, який вже утворився. При рівновазі величина контактного кута залежить від відносної енергії трьох границь розділу , и .

 

(2.7)

 

При таких умовах величина критичного радіуса , який входить до рівняння (2.7) зменшується пропорційно і приймає значення

 

(2.8)

Це знижує критичний об’єм, в наслідок чого ймовірність росту зародка нової фази виявляється більше ймовірності зворотного розчинення. Якщо ж, кут прагне до нуля, енергія активації, необхідна для утворення зародка, становиться нескінченно малою і перетворення не залежить від енергії фазової границі

 

 

Рис. 2.3. Гетерогенне утворення зародків нової фази

Якщо зародження відбувається на існуючій границі , то радіус зародка -фази може стати більше критичного і при дуже малому об’ємі. Зменшенню критичного об’єму сприяє умова при котрому контактний кут прагне до нуля.

Практичне заняття 3

Розтікання. Крайовий кут змочування

 

Крайовий кут змочування

На межі рідини з твердим тілом може мати місто змочування твердого тіла рідиною. Рідина легше змочує тверде тіло у випадку, коли поверхневий натяг на межі рідини з твердим тілом менше поверхневого натягу твердого тіла на межі із власним насичуючим паром. Однак, загальна умова змочування твердого тіла рідиною залежить і від поверхневого натягу самої рідини, оскільки розглядуване явище відбувається на межі розділу трьох фаз.

Змочування являє собою вид взаємодії рідини з твердим тілом. Воно відбувається раніше, чим розчинення і дифузія. На практиці змочування проявляється або у вигляді розтікання крапель рідини по твердому тілу, або, навпаки, у вигляді відтікання (згортування).

Для отримання якісного з’єднання металів при зварюванні плавленням і при наплавці без розплавлення основного металу необхідно забезпечити змочування поверхні твердого метала рідким по всій площині їх контакту. Це відноситься до металів, як з близькими, так і з сильно відмінними властивостями.

 

 

Рис. 3.1. Розтікання краплі по поверхні твердого тіла

 

Нехай краплю рідини поміщено на ідеально гладку однорідну тверду поверхню; крапля має форму тіла обертання. А – точка дотикання тіла обертання. Дотична АВ до поверхні рідини утворює з поверхнею кут , котрий має назву крайовий кут. Крайовий кут завжди відраховується від дотичної в сторону рідини. Вершина крайового кута знаходиться на лінії змочування – лінії, вздовж якої доторкаються всі фази, що приймають участь в змочуванні (тверде тіло – рідина – газ).

Необхідно розрізняти рівноважні і не рівноважні крайові кути. Рівноважний крайовий кут залежить тільки від термодинамічних властивостей системи, а саме від поверхневого натягу на границях розділу фаз, які приймають участь в змочуванні. Крайові кути, котрі виміряно при відхиленні системи від стану термодинамічної рівноваги звуться нерівноважними.

Величина рівноважного крайового кута визначається у співвідношенні сил притягання рідин до твердого тіла і сил взаємного притяжіння між частинками самої рідини. Рівноважний крайовий кут являє собою одну із важливіших характеристик змочування; він є мірою змочування твердого тіла рідиною.

 

Рівняння Юнга

Для здійснення змочування необхідно витратити енергію. В загальному випадку ця енергія являє собою витрати вільної поверхневої енергії системи на границях розділу між твердим тілом і газом, рідиною і газом, твердим тілом і рідиною.

Умова рівноваги після розтікання краплі по поверхні твердого тіла визначається рівнянням Юнга (Дюпре):

(3.1)

де ,

Залежно від значення крайового кута розрізняють три випадки рівноваги:

1) відсутність змочування ();

2) погане змочування ();

3) повне змочування, крапля розтікається ().