В. К. Верхоломов
Аннотация
По аналогии с течением жидкости, разработана приближенная методика оценки энергетических характеристик воздушной псевдожидкости. Показано, что для получения пограничной сверхтекучести воздуха защитное покрытие должно обладать очень низкими значениями дисперсионной составляющей поверхностной энергии: ~ (1 – 3) мДж/м2.
// Science and World. 2023. № 4, p. 8-11
Введение
В [1,2] открыт новый вид сверхтекучести – пограничная сверхтекучесть жидкости и исследованы основные условия ее получения. Она тесно связана с явлением скольжения жидкости. Говоря кратко, пограничная сверхтекучесть – это скольжение жидкости вдоль гладкой гидрофобной поверхности. Т.е. она реализуется на границе фаз гидрофобная гладкая поверхность/жидкость. При этом свойства самой жидкости, в первую очередь ее вязкостные характеристики, сохраняются неизменными.
Основные отличия пограничной сверхтекучести жидкости от объемной сверхтекучести квантовой жидкости гелия II, открытой академиком Капицей в 1938 г., состоят в следующем. Во-первых, пограничная сверхтекучесть может быть получена на обычной жидкости (воде) при нормальных атмосферных условиях. И, во-вторых, на пограничную сверхтекучесть, как показали эксперименты на открытом лотке, никак не влияет масштабный фактор: ни скорость течения воды, ни размеры канала.
Ответ на один из главных вопросов гидродинамики: как образуется пограничный слой – нами получен на основании микрогидродинамики с привлечением механической концепции Юнга об электростатических силах притяжения между частицами. С одной стороны, действуют силы притяжения между частицами твердой поверхности и молекулами жидкости, которые Юнг назвал силами адгезии [3], а с другой, – силы притяжения между молекулами внутри самой жидкости – силы когезии (силы поверхностного натяжения). Силы адгезии и когезии действуют, как правило, в противоположном направлении по отношению друг к другу. Хотелось бы особо подчеркнуть первостепенную, главную роль сил адгезии в образовании пограничного слоя на гидрофильной поверхности (при краевом угле смачивания θ<90°). Именно, благодаря сравнительно большим силам адгезии твердой поверхности близлежащий слой молекул жидкости прилипает к поверхности. А дальше начинают действовать силы когезии между слоями движущихся молекул, что в итоге приводит к образованию пограничного слоя.
В случае высокогидрофобной твердой поверхности (при θ>90°) силы адгезии уменьшаются настолько, что становятся меньше суммы сил когезии и внешних тангенциальных сил, стремящихся оторвать слой прилипших молекул жидкости. В итоге происходит отрыв этого слоя, а также всего потока в целом от твердой поверхности, что приводит к исчезновению пограничного слоя и к скольжению жидкости (воды) вдоль гидрофобной поверхности.
Если для жидкости, в первую для воды, многие характеристики известны¸ включая поверхностные энергетические характеристики (энергия поверхностного натяжения), и для жидкости уже имеются гладкие высокогидрофобные покрытия (например, наноразмерный политетрафторэтилен – НПТФЭ «Форум» [4]), то в случае воздуха практически ничего не известно. В случае воздуха мы имеем задачу о сверхтекучести со многими неизвестными.
Поэтому речь может идти только о попытке грубо приближенной оценки возможности получения пограничной сверхтекучести воздуха с помощью покрытия. Характеристики этого гипотетического покрытия попытаемся оценить на основе аналогии с пограничной сверхтекучестью жидкости. Вначале попытаемся установить аналогию в течениях воздуха и воды вдоль твердой поверхности.
1. Аналогия течений воздуха и воды вдоль твердой поверхности
Как показал анализ, между течениями воздуха и жидкости вдоль твердой поверхности есть много общего.
- Во-первых, в обоих случаях на поверхности возникает пограничный слой.
- Во-вторых, смена режима течения с ламинарного на турбулентный также происходит при одинаковом числе Рейнольдса.
- В-третьих, течение газа при небольших скоростях рассматривается, как течение несжимаемой среды, что аналогично течению жидкости.
Как уже сказано, при течении воды вдоль гидрофильной поверхности, благодаря действию относительно больших сил адгезии, близлежащий слой жидкостных молекул прилипает к поверхности, что в итоге приводит к образованию пограничного слоя. Текучесть воздуха много больше текучести воды. Он заполняет весь предоставленный ему объем, при этом молекулы газа, в статических условиях, адсорбируются на всей твердой поверхности. Таким образом, можно считать, что со стороны твердой поверхности на молекулы воздуха также действуют силы притяжения, которые целесообразно назвать силами адсорбции. По своей природе силы адсорбции аналогичны силам адгезии в случае воды. А течение воздуха можно попытаться представить в виде некоей псевдожидкости малой плотности.
В соответствии с молекулярной теорией смачивания Джирифалко, Гуда, Фоукса, Оуэнса и Вендта [5-7], поверхностная энергия на границах твердое тело/пар и жидкость/пар определяются с помощью следующих зависимостей:
σSV = σSVd + σSVр (1)
σLV = σLVd + σLVр, (2)
где σSVd, σLVd – дисперсионные составляющие поверхностной энергии и поверхностного натяжения на границах твердое тело/пар и жидкость/пар;
σSVр, σLVр – полярные составляющие поверхностной энергии и поверхностного натяжения на границах твердое тело/пар и жидкость/пар.
При этом можно задать вопрос: изменяется ли величина поверхностной энергии твердого тела при замене течения жидкости на газ. Ответ может быть только один: практически не изменяется, так как поверхностная энергия является паспортной величиной для рассматриваемой границы фаз. Поэтому можно предположить, что структура формулы для определения силы адсорбции будет схожа со структурой формулы силы адгезии в случае воды.
2. Методика и результаты оценки возможности получения пограничной сверхтекучести воздуха
По аналогии с жидкостью, формула для оценки поверхностного натяжения воздушной псевдожидкости примет следующий вид:
σV = σVd + σVр, (3)
где σVd,σVр – дисперсионная и полярная составляющие.
Как известно, воздух, в основном, состоит из двухатомных молекул газа (N2,O2,H2), которые являются неполярными.
Поэтому σVр = 0 и
σV = σVd. (3')
Величина силы адгезии для жидкости определяется по формуле [8]
σA=√ σSVd · σLVd + √ σSVр · σLVр (4)
C учетом сказанного, для величины силы адсорбции имеем
σAD = √ σSVd · σV. (5)
В предположении, что в случае воздушной псевдожидкости будет действовать уравнение Юнга-Верхоломова [8] для кажущегося угла смачивания воздушной псевдожидкости
Cosθф = (2σAD – σV) /σV (6)
Отсюда для силы адсорбции с учетом (3') имеем
σAD = σV·(1 +Cosθф) /2 (7)
Из уравнений (5), (7) получается следующее уравнение для σV:
σV = 4 σSVd /(1 + Cosθф)2 (8)
Априори примем, что воздушная псевдожидкость удовлетворительно смачивает твердые пластики, для многих из которых известны поверхностные энергетические характеристики. Так, например, в [7] приведены подробные поверхностные характеристики для 18 пластиков. Дисперсионная составляющая поверхностной энергии пластиков находится в диапазоне σSVd = 10 – 40 мДж/м2. В таблице 1 приведены результаты оценки поверхностной энергии воздушной псевдожидкости по формуле (8).
Таблица 1.
Оценка поверхностной энергии псевдожидкости
| θф0 | σSVd,мДж/м2 | 10 | 20 | 30 | 40 | Средние значения |
| 80 | σV, мДж/м2 | 20,02 | 58,04 | 87,06 | 116,08 | 72,5 |
| 60 | σV, мДж/м2 | 17,78 | 35,56 | 53,34 | 71,12 | 44,45 |
| 40 | σV, мДж/м2 | 12,82 | 25,64 | 38,46 | 51,28 | 32,05 |
После оценки поверхностной энергии воздушной псевдожидкости, представилась возможность оценить дисперсионную составляющую поверхностной энергии покрытия, при которой возможно получение пограничной сверхтекучести воздуха.
Аналогично воде, примем для воздушной псевдожидкости граничное значение θr = 125°. Для полученных значений σV из таблицы 1 по формуле (9) была проведена оценка потребных значений дисперсионной составляющей энергии покрытия для получения пограничной сверхтекучести воздуха.
σпd = σV (1 + Cosθr)2/4 (9)
Результаты расчетной оценки представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Оценка дисперсионной составляющей энергии покрытия
| θф0 | σSVd,мДж/м2 пластика | 10 | 20 | 30 | 40 | Средние значения |
| 80 | σпd, мДж/м2 | 0,98 | 2,64 | 3,96 | 5,28 | 3,3 |
| 60 | σпd, мДж/м2 | 0,81 | 1,62 | 2,43 | 3,24 | 2,03 |
| 40 | σпd, мДж/м2 | 0,58 | 1,16 | 1,75 | 2,33 | 1,46 |
Как показали результаты оценки (таблица 2), для достижения пограничной сверхтекучести воздуха покрытие, наносимое на защищаемую поверхность, должно обладать очень низкими значениями дисперсионной составляющей поверхностной энергии (средние значения ~ 1,5 – 3 мДж/м2. Это почти на порядок меньше, чем для воды. К преимуществам такого покрытия можно отнести то, что при этом величина полярной составляющей может быть сколь угодно большой.
Выводы
1. На основе аналогии с течением жидкости, разработана приближенная методика оценки энергетических характеристик воздушной псевдожидкости.
2. В рассмотренном диапазоне кажущихся углов смачивания воздушной псевдожидкости θф = 40 – 80° расчетные средние значения поверхностной энергии псевдожидкости получены в диапазоне 30 – 70 мДж/м2.
3. Показано, что для получения пограничной сверхтекучести воздуха защитное покрытие должно обладать очень низкими значениями дисперсионной составляющей поверхностной энергии: ~ (1 – 3) мДж/м2.
4. Перспективным направлением работ являются эксперименты по определению поверхностной энергии воздушной псевдожидкости.
Литература
- Верхоломов В. К. Еще раз о сверхтекучести гелия / В.К. Верхоломов // Science and world. – 2020. – № 9 – Т. 1. – С. 8-11.
- Верхоломов, В. К. Основные условия для получения сверхтекучести обычных жидкостей при нормальных атмосферных условиях / В.К. Верхоломов // Science and world. – 2020. – № 10. – С. 22-24.
- Young T. Essay on the Cohesion of Fluids. // M. D. For. Sec. R. S. 1804. P. 65-87.
- Цветников А. К., Матвеенко Л. А., Пузь А. В., Егоркин В. С., Голуб А. В., Масленников С. И., Павлов А. Д., Гнеденков С. В. Нанодисперсный политетрафторэтилен ФОРУМТМ и его влияние на физические свойства лакокрасочных покрытий // Лакокрасочные материалы и их применение. 2016. № 1–2. С. 63–67.
- Good R. G., van Oss C. J. in: M. E. Schrader, G. Loeb (Eds.), Modern Approaches to Wettability: Theory and Applications, Plenum Press. New York.1991. P. 1-27.
- Fowkes F. M. Dispersion Force Contributions to Surface and Interfacial Tensions, Contact Angles, and Heats of Immersion. Advances in Chemistry Series. American Chemical Society, Washington. 1964. № 43. P. 99-111.
- Owens D. K., Wendt R. C. Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. // J. Appl. Polym. Sci. 1969. V. 13. P. 1741-1747.
- Verkholomov, V. K. Physical Features of the New Equation (Equation Jung–Verkholomov) of Contact Angle / V. K. Verkholomov // Materials of the XII international research and practice conference «Science, Technology and Higher Education». – December 21-22, 2016. – Westwood, Canada. – P. 97–110.