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接触角测量仪中接触角的由来

发布日期:2020-07-24      浏览次数:157
 接触角( contact angle)这个术语,最早出现在1805年英国物理学家托马斯杨(Thomas Young)所发表的著名的《流体的内聚力和黏附力》著作里,这个术语的产生距今已经215年。

托马斯 杨是在研究毛细流动体系时,产生了接触角的概念。 毛细流动体系是三相体系,包含固相、液相和另一种流动相(气相或另一种液相)。对于这样的体系中的毛细流动静驱动力是由界面张力、三相界面几何形状和三相边界线上固体表面几何形状三种基本量控制的。当液体与第二流体相(气相)和固体表面接触时,就产生了液体-流体( 液/气)界面取向的力不平衡,这是因为使它呈现出在固体表面的特征平衡取向的状态,这就是接触角的产生,也成为接触角效应。平衡时,可以认为接触角时物质固有的常数,它仅仅依赖于三个相组成的本质,与物质存在量的多少无关。

 

从热力学的角度出发,接触角的值取决于体系中三相达成的热力学平衡。达成平衡时,三相的化学势应相同。如果把固/气界 面的界面能表示为 γSV ,固/液界面的界面能表示为 γSL,液/气界面的界面能(即界面张力)表示为 γ,这样就可写出如下的方程式它表示水平方向作用力的总和,在平衡时必须满足等于 0 的条件:

g SV g SL g cosq0 = 0


 

这就是著名的杨方程 Young Equation)这里的q0是(实验测量的)热力学平衡(equilibrium thermodynamic)接触角。根据 Young‘s 方程,对于一给定的体系热力学上的接触角 (q0) 应该只有一个,也即是一定值。这个wei一定值是表面理想化下得出的,并不是接触角测量仪实际测量出来的真实数值。

 

二百多年来,接触角已经成为衡量润湿行为的重要实验数据,托马斯杨方程也是润湿领域的最基本的理论之一。接触角测量仪也随着材料科学的发展,成为了材料实验室必备的实验室仪器。今年4月,中国科技大学的科学家首次从力学角度重新解释了托马斯杨方程,我们会在以后的文章中探讨。
 ( 本文内容得到授权所有者的授权许可)。

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