Работа адгезии, теплота смачивания

 

    Поверхностные явления описываются также работой адгезии.

    Адгезия – прилипание (сцепление поверхностей) разнородных тел. Когезия – процессы сцепления поверхностей разнородных тел, обусловленные межмолекулярным или химическим взаимодействиями.

    Работа адгезии оценивается уравнением Дюпре:

   W_a = σ _{1, 2} + σ _{2, 3} – σ _{1, 3}.                             (6.6)

    Используя соотношения (6.4 ® σ _{2, 3} = σ _{1, 3} + σ _{1, 2}× cosQ) и (6.6)                                 получим уравнение Дю­пре – Юнга:

W_a = σ _{1, 2}·(1 + cosQ).                              (6.7)

    Из соотношения (6.4) следует:

 σ _{2, 3} – σ _{1, 3}= σ _{1, 2}·cosQ,                        (6.8)

следует, что при смачивании свободная энергия единицы поверхности твёрдого тела уменьшается на величину σ _{1, 2} · cos Q, которую принято называть натяжением смачивания.

    Работа когезии ( W _к ) характеризует энергетические изменения по­верхностей раздела при взаимодействии частиц одной фазы.

    Уравнение (6.7) свидетельствует, что на отрыв жидкости от поверх­ности твёрдого тела при полном смачивании (когда cos Q = 1, то есть Q ® 0) за­трачивается работа, необходимая для образования двух жидких поверх­ностей равная величине 2·σ _жг(σ _{1, 2}), то есть:

 

                                              W_к = 2·d_жг,                                    (6.9)

где 2·σ _жг– поверхностное натяжение жидкости на границе с газом.

    Это значит, что при полном смачивании жидкость не отрывается от поверхности твёрдого тела, а происходит разрыв самой жидкости, то есть при полном смачивании σ _{1, 2} £ σ _{1, 3.}

    Подставив в уравнение Юнга значения работ адгезии и когезии, получим:

.                                   (6.10)

    Из этого уравнения (6.10) следует, что величина смачивания жидкостью твёрдого тела тем лучше, чем меньше работа когезии и величина поверхностного натяжения жидкости на границе с газом.

    Для характеристики смачивающих свойств жидкости используют также величину – относительную работу адгезии:

                           z = W_а/W_к.                                           (6.11)

    Ещё одна характеристика, используемая для описания поверхност­ных явлений – теплота смачивания.

Установлено, что при смачивании твёрдого тела жидкостью на­блюдается выделение тепла, количество которого зависит от природы поверхности и сма­чивающих её жидкостей.

Теплота смачивания характеризует степень дисперсности твёр­дого тела и природу его поверхности. Большее количество теплоты вы­деляется при смачивании той жидкостью, которая лучше смачивает твёрдую поверхность.

Для пористых и порошкообразных тел теплота смачивания обычно изменяется от 1 до 125 кДж/кг и зависит от степени дисперсно­сти твёрдого тела и полярности жидкости.

    Если через q₁ – обозначить удельную теплоту смачивания породы водой, а через q₂ – обозначить удельную теплоту смачивания породы нефтью, то для гидрофильных поверхностей будет выполняться соот­ношение:

     (q₁/q₂) > 1,                                          (6.12) 

а для гидрофобных:

(q₁/q₂) < 1.                                       (6.13)    

Гистерезис смачивания

Гистерезис – отставание, запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние тела от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия.

Гистерезис смачивания – явление, заключающееся в задержке установления равновесного значения смачивания вследствие трения при перемещении периметра капли по поверхности твёрдого тела.

Явления статического гистерезиса смачивания тесно связаны с процессами адсорбции, которые зависят от природы поверхностного слоя. Мерой статического гистерезиса смачивания может служить величина, равная разности косинусов углов:

 

 cosQ = (σ _{2, 3} – σ _{1, 3})/ σ _{1, 2} = В, ∆ В = В_{2, 1}–В_{1, 2}.              (6.14)

Эта разность получается при различном порядке смачивания твёрдой поверхности жидкостями 1 и 2. Величина ∆ В зависит от среды (1 или 2), которой вначале была смочена поверхность. В присутствии адсорбционного слоя статический гистерезис смачивания резко возрастает.           

В пластовых условиях наблюдаются неустойчивые процессы, происходящие на поверхности раздела фаз, отличные от рассмотренных выше (разд. 6.4). Процессы смачивания описывают неравновесные процессы и зави­сят не только от природы поверхностей, но и от скорости и направления движения фронта жидкости (менисков) в капиллярных каналах.

Кинетическим гистерезисом смачивания принято называть из­менение угла смачивания при передвижении по твёрдой поверхности трёхфазного периметра смачивания. Величина гистерезиса зависит от:

· направления движения периметра смачивания, то есть от того, проис­ходит ли вытеснение с твёрдой поверхности воды нефтью или нефти водой;

· скорости перемещения трёхфазной границы раздела фаз по твёрдой поверхности;

· шероховатости твёрдой поверхности;

· адсорбции на поверхности веществ.

За счёт вытеснения нефти водой образуется передвигающийся трёхфазный периметр смачивания. Угол смачивания изменяется в зави­симости от скорости и направления движения периметра смачива­ния жидкостью поверхности пород (менисков жидкости, рис. 6.7) в каналах и трещинах.

 

 

Рис. 6.7. Схема изменения углов смачивания при изменении направления дви­жения мениска в капиллярном канале

 

Угол, образующийся при вытеснении нефти водой (Q₂₁), принято называть наступающий, а угол, образующийся при вытеснении воды нефтью (Q₁₂) – отступающий. Углы смачивания отступающий (Q₁₂), наступающий (Q₂₁) и статический (Q)  всегда находятся в соотношении

                     

                               Q₂₁ > Q > Q₁₂.                                        (6.15)                               

 

Угол смачивания зависит от того, происходит ли вытеснение с твёрдой по­верхности воды нефтью или нефти водой. С увеличением скорости вытеснения нефти водой из капиллярных каналов пористой среды вследствие гистерезисных явлений наступающий угол смачива­ния возрастает и может стать больше 90^о, если даже в статических условиях поверхность капилляра гидрофильна.

Причины гистерезиса недостаточно изучены. Некоторые исследо­ватели считают, что гистерезис обусловлен силами трения, так как он возникает на шеро­ховатых поверхностях. На полированных поверхно­стях гистерезис про­является слабо.

Большинство исследователей считают, что я вления гистерезиса имеют молекулярную природу. При вытеснении из пор нефти водой приходится удалять с твёрдой поверхности адсорбированные молекулы полярных компонентов нефти. Поэтому возникает дополнительное сопротивление растеканию воды по поверхности. В зависимости от порядка смачивания значение этих сил сопротивления неодинаково, чем и обусловлено различие отступающих и наступающих углов.

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: