Kapillarphänomene, Oberflächenphänomene an der Grenze einer Flüssigkeit zu einem anderen Medium, die mit der Krümmung ihrer Oberfläche verbunden sind. Die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche an der Grenze zur Gasphase entsteht durch die Wirkung der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die dazu neigt, die Grenzfläche zu verringern und dem begrenzten Flüssigkeitsvolumen die Form einer Kugel zu verleihen. Da die Kugel bei gegebenem Volumen eine minimale Oberfläche hat, entspricht diese Form der minimalen Oberflächenenergie der Flüssigkeit, d. h. sein stabiler Gleichgewichtszustand. Bei ausreichend großen Flüssigkeitsmassen wird die Wirkung der Oberflächenspannung durch die Schwerkraft kompensiert, so dass eine niedrigviskose Flüssigkeit schnell die Form eines Gefäßes annimmt, in das sie gegossen wird, und sie ist frei. die Oberfläche erscheint fast flach.
Ohne Schwerkraft oder bei sehr kleinen Massen nimmt die Flüssigkeit immer eine Kugelform (Tropfen) an, deren Krümmung vieles bestimmt. Eigenschaften eines Stoffes. Daher sind Kapillarphänomene ausgeprägt und spielen bei Bedingungen der Schwerelosigkeit, beim Zerkleinern einer Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium (oder beim Versprühen eines Gases in eine Flüssigkeit) und bei der Bildung von Systemen aus vielen Tropfen oder Blasen (Emulsionen, Aerosole) eine bedeutende Rolle , Schäume), beim Entstehen einer neuen Phase von Flüssigkeitströpfchen bei der Kondensation von Dämpfen, Dampfblasen beim Sieden, Kristallisationskeime. Wenn eine Flüssigkeit mit kondensierten Körpern (einer anderen Flüssigkeit oder einem festen Körper) in Kontakt kommt, kommt es aufgrund der Wirkung der Grenzflächenspannung zu einer Krümmung der Grenzfläche.
Bei der Benetzung, beispielsweise wenn eine Flüssigkeit mit einer festen Gefäßwand in Kontakt kommt, kommt es durch die zwischen den Molekülen des Feststoffs und der Flüssigkeit wirkenden Anziehungskräfte zu einem Aufsteigen entlang der Gefäßwand, wodurch die Portion Die an die Wand angrenzende Flüssigkeitsoberfläche nimmt eine konkave Form an. In engen Kanälen, beispielsweise zylindrischen Kapillaren, bildet sich ein konkaver Meniskus – eine vollständig gekrümmte Flüssigkeitsoberfläche (Abb. 1).
Reis. 1. Kapillarerhöhung H Flüssigkeit, die die Wände einer Kapillare mit Radius benetzt R; q – Kontaktwinkel der Benetzung.
Kapillardruck.
Da die Kräfte der Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung) tangential zur Flüssigkeitsoberfläche gerichtet sind, führt deren Krümmung zum Auftreten einer innerhalb des Flüssigkeitsvolumens gerichteten Komponente. Dadurch entsteht ein Kapillardruck, dessen Wert Dp durch die Laplace-Gleichung mit dem durchschnittlichen Krümmungsradius der Oberfläche r 0 zusammenhängt:
Dp = p 1 - p 2 \u003d 2s 12 / r 0, (1)
wo p 1 und p 2 - Druck in Flüssigkeit 1 und benachbarter Phase 2 (Gas oder Flüssigkeit), s 12 - Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung).
Wenn die Flüssigkeitsoberfläche konkav ist (r 0< 0), давление в ней оказывается пониженным по сравнению с давлением в соседней фазе p 1 < р 2 и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r 0 >0) Das Vorzeichen von Dp wird umgekehrt. Der negative Kapillardruck, der entsteht, wenn die Wände der Kapillare mit Flüssigkeit benetzt werden, führt dazu, dass die Flüssigkeit bis zum Gewicht der Flüssigkeitssäule in die Kapillare gesaugt wird H wird den Druckabfall Dp nicht ausgleichen. Im Gleichgewichtszustand wird die Höhe des Kapillaranstiegs durch die Jurin-Formel bestimmt:
Dabei sind r 1 und r 2 die Dichten von Flüssigkeit 1 und Medium 2, g die Erdbeschleunigung, r der Radius der Kapillare und q der Benetzungswinkel. Für Flüssigkeiten, die die Kapillarwände nicht benetzen, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
Aus Ausdruck (2) folgt die Definition der Kapillarkonstante der Flüssigkeit A= 1/2 . Es hat die Dimension Länge und charakterisiert die lineare Größe Z[A, bei dem Kapillarphänomene signifikant werden Also für Wasser bei 20 °C a = 0,38 cm. Bei schwacher Schwerkraft (g: 0) der Wert A erhöht sich. Im Bereich des Partikelkontakts führt die Kapillarkondensation zur Kontraktion der Partikel unter Einwirkung des Unterdrucks Dp< 0.
Kelvin-Gleichung.
Die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche führt zu einer Änderung des darüber liegenden Gleichgewichtsdampfdrucks R im Vergleich zum Sattdampfdruck PSüber einer ebenen Fläche bei gleicher Temperatur T. Diese Änderungen werden durch die Kelvin-Gleichung beschrieben:
Dabei ist das Molvolumen der Flüssigkeit und R die Gaskonstante. Die Abnahme oder Zunahme des Dampfdrucks hängt vom Vorzeichen der Krümmung der Oberfläche ab: über konvexen Oberflächen (r 0 > 0) p > p s ;über konkav (r 0< 0) R< р s . . Oberhalb der Tropfen erhöht sich also der Dampfdruck; in Blasen hingegen wird es abgesenkt.
Basierend auf der Kelvin-Gleichung wird die Füllung von Kapillaren oder porösen Körpern berechnet Kapillarkondensation. Da die Werte R für Partikel unterschiedlicher Größe oder für Oberflächenbereiche mit Vertiefungen und Vorsprüngen unterschiedlich sind, bestimmt Gleichung (3) auch die Richtung der Stoffübertragung beim Übergang des Systems in einen Gleichgewichtszustand. Dies führt insbesondere dazu, dass relativ große Tropfen oder Partikel durch Verdunstung (Auflösung) kleinerer Tropfen oder Partikel wachsen und Oberflächenunregelmäßigkeiten nichtkristalliner Körper durch Auflösung von Vorsprüngen und Heilung von Vertiefungen geglättet werden. Merkliche Unterschiede im Dampfdruck und in der Löslichkeit treten nur bei ausreichend kleinem r 0 auf (für Wasser beispielsweise bei r 0). Daher wird die Kelvin-Gleichung häufig zur Charakterisierung des Zustands kolloidaler Systeme und poröser Körper und der darin ablaufenden Prozesse verwendet.
Reis. 2. Flüssigkeitsverdrängung nach Länge l in einer Kapillare mit Radius r; q – Kontaktwinkel.
Kapillarimprägnierung.
Der Druckabfall unter den konkaven Menisken ist einer der Gründe für die kapillare Bewegung der Flüssigkeit in Richtung der Menisken mit kleinerem Krümmungsradius. Ein besonderer Fall hierfür ist die Imprägnierung poröser Körper – die spontane Aufnahme von Flüssigkeiten in lyophile Poren und Kapillaren (Abb. 2). Geschwindigkeit v Die Bewegung des Meniskus in einer horizontal angeordneten Kapillare (oder in einer sehr dünnen vertikalen Kapillare, wenn der Einfluss der Schwerkraft gering ist) wird durch die Poiseuille-Gleichung bestimmt:
Wo l ist die Länge des absorbierten Flüssigkeitsabschnitts, h ist seine Viskosität, Dp ist der Druckabfall im Abschnitt l, gleich dem Kapillardruck des Meniskus: Dp = - 2s 12 cos q/r. Wenn der Kontaktwinkel q nicht von der Geschwindigkeit abhängt v, Es ist möglich, die während der Zeit aufgenommene Flüssigkeitsmenge zu berechnen T aus dem Verhältnis:
l(T) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Wenn q eine Funktion ist v, Das l Und v mit komplexeren Zusammenhängen verbunden.
Die Gleichungen (4) und (5) werden zur Berechnung der Imprägnierungsrate bei der Behandlung von Holz mit Antiseptika, beim Färben von Stoffen, beim Aufbringen von Katalysatoren auf poröse Träger, beim Auslaugen und Diffusionsextrahieren wertvoller Gesteinsbestandteile usw. verwendet. Um die Imprägnierung zu beschleunigen, werden häufig Tenside verwendet eingesetzt, die die Benetzung durch Verringerung des Kontaktwinkels q verbessern. Eine der Möglichkeiten der Kapillarimprägnierung besteht darin, eine Flüssigkeit aus einem porösen Medium durch eine andere zu verdrängen, die sich nicht mit der ersten vermischt und die Oberfläche der Poren besser benetzt. Dies ist beispielsweise die Grundlage für Methoden zur Gewinnung von Restöl aus Lagerstätten mit wässrigen Lösungen von Tensiden und Methoden der Quecksilberporosimetrie. Die kapillare Absorption von Lösungen in Poren und die Verdrängung nicht mischbarer Flüssigkeiten aus Poren, begleitet von Adsorption und Diffusion von Komponenten, werden in der physikalisch-chemischen Hydrodynamik berücksichtigt.
Neben den beschriebenen Gleichgewichtszuständen einer Flüssigkeit und ihrer Bewegung in Poren und Kapillaren werden auch die Gleichgewichtszustände sehr kleiner Volumina einer Flüssigkeit, insbesondere dünner Schichten und Filme, als Kapillarphänomene bezeichnet. Diese Kapillarphänomene werden oft als Kapillarphänomene vom Typ II bezeichnet. Sie zeichnen sich beispielsweise durch die Abhängigkeit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit vom Radius der Tropfen und durch die lineare Spannung aus. Kapillarphänomene wurden erstmals von Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (17. Jahrhundert) und J. Jurin (18. Jahrhundert) in Experimenten mit Kapillarröhrchen untersucht. Die Theorie der Kapillarphänomene wurde in den Werken von P. Laplace (1806), T. Jung (1804), A. Yu. Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886) entwickelt. Den Beginn der Entwicklung der Theorie der Kapillarphänomene zweiter Art legten die Arbeiten von B. V. Deryagin und L. M. Shcherbakov.
Bei der Benetzung kommt es zu einer Oberflächenkrümmung, die die Eigenschaften der Oberflächenschicht verändert. Das Vorhandensein eines Überschusses an freier Energie in der Nähe einer gekrümmten Oberfläche führt zu den sogenannten Kapillarphänomenen – sehr eigenartig und wichtig.
Führen wir zunächst eine qualitative Betrachtung am Beispiel einer Seifenblase durch. Wenn wir beim Blasen der Blase das Ende der Röhre öffnen, werden wir sehen, dass die an ihrem Ende befindliche Blase kleiner wird und in die Röhre hineingezogen wird. Da die Luft am offenen Ende mit der Atmosphäre kommuniziert, ist es zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustands der Seifenblase erforderlich, dass der Druck im Inneren größer ist als außen. Wird gleichzeitig ein Rohr an ein Monometer angeschlossen, so wird darauf ein gewisser Niveauunterschied aufgezeichnet – ein Überdruck DP in der volumetrischen Phase des Gases von der konkaven Seite der Blasenoberfläche.
Stellen wir eine quantitative Beziehung zwischen DP und dem Oberflächenkrümmungsradius 1/r zwischen zwei Massenphasen her, die sich im Gleichgewicht befinden und durch eine sphärische Oberfläche getrennt sind. (zum Beispiel eine Gasblase in einer Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitstropfen in einer Dampfphase). Dazu verwenden wir den allgemeinen thermodynamischen Ausdruck für freie Energie unter der Bedingung T = const und dem Fehlen eines Materieübergangs von einer Phase in eine andere dn i = 0. Im Gleichgewichtszustand sind Variationen der Oberfläche ds und des Volumens dV möglich . Es sei V um dV und s um ds zunehmen. Dann:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
Im Gleichgewichtszustand dF = 0. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass dV 1 = dV 2 , finden wir:
P 1 - P 2 \u003d s ds / dV.
Also P 1 > P 2 . Vorausgesetzt, dass V 1 = 4/3 p r 3 , wobei r der Krümmungsradius ist, erhalten wir:
Die Substitution ergibt die Laplace-Gleichung:
P 1 - P 2 \u003d 2s / r. (1)
Allgemeiner formuliert gilt für ein Rotationsellipsoid mit den Hauptkrümmungsradien r 1 und r 2 das Laplacesche Gesetz:
P 1 - P 2 \u003d s / (1 / R 1 - 1 / R 2).
Für r 1 = r 2 erhalten wir (1), für r 1 = r 2 = ¥ (Ebene) P 1 = P 2 .
Die Differenz DP wird Kapillardruck genannt. Betrachten wir die physikalische Bedeutung und die Konsequenzen des Laplace-Gesetzes, das die Grundlage der Theorien der Kapillarphänomene bildet. Die Gleichung zeigt, dass die Druckdifferenz in Volumenphasen mit zunehmendem s und mit abnehmendem Krümmungsradius zunimmt. Je höher also die Dispersion, desto größer ist der Innendruck einer Flüssigkeit mit kugelförmiger Oberfläche. Beispielsweise ist für einen Wassertropfen in der Dampfphase bei r = 10 -5 cm DP = 2. 73 . 10 5 dyn/cm 2 "15 at. Somit ist der Druck im Inneren des Tropfens im Vergleich zum Dampf um 15 atm höher als in der Dampfphase. Es muss beachtet werden, dass unabhängig vom Aggregatzustand der Phasen im Gleichgewichtszustand der Druck auf der konkaven Seite der Oberfläche immer größer ist als auf der konvexen. Die Gleichung bildet die Grundlage für die experimentelle Messung von s nach der Methode des höchsten Blasendrucks. Eine der wichtigsten Folgen des Kapillardrucks ist das Aufsteigen von Flüssigkeit in der Kapillare.
Kapillarphänomene werden in flüssigkeitshaltigen Flüssigkeiten beobachtet
In engen Gefäßen, bei denen der Abstand zwischen den Wänden dem Krümmungsradius der Flüssigkeitsoberfläche entspricht. Die Krümmung entsteht durch die Wechselwirkung der Flüssigkeit mit den Gefäßwänden. Die Spezifität des Verhaltens einer Flüssigkeit in Kapillargefäßen hängt davon ab, ob die Flüssigkeit die Gefäßwände benetzt oder nicht, genauer gesagt vom Wert des Kontaktwinkels der Benetzung.
Betrachten wir die Position des Flüssigkeitsspiegels in zwei Kapillaren, von denen die eine eine lyophile Oberfläche hat und daher ihre Wände benetzt sind, während die andere eine lyophilisierte Oberfläche hat und daher nicht benetzt ist. In der ersten Kapillare weist die Oberfläche eine negative Krümmung auf. Der zusätzliche Laplace-Druck neigt dazu, die Flüssigkeit zu dehnen. (Der Druck ist zum Krümmungsmittelpunkt gerichtet). Der Druck unter der Oberfläche ist geringer als der Druck an der ebenen Oberfläche. Dadurch entsteht eine Auftriebskraft, die die Flüssigkeit in der Kapillare anhebt, bis das Gewicht der Säule die wirkende Kraft ausgleicht. In der zweiten Kapillare ist die Oberflächenkrümmung positiv, der zusätzliche Druck wird in die Flüssigkeit geleitet, dadurch Die Flüssigkeit in der Kapillare sinkt ab.
Im Gleichgewicht ist der Laplace-Druck gleich dem hydrostatischen Druck einer Flüssigkeitssäule der Höhe h:
DP \u003d ± 2s / r \u003d (r - r o) gh, wobei r, r o die Dichten der flüssigen und gasförmigen Phase sind, g die Erdbeschleunigung ist, r der Meniskusradius ist.
Um die Höhe des Kapillaranstiegs mit der Benetzungscharakteristik in Beziehung zu setzen, drücken wir den Meniskusradius durch den Benetzungswinkel Q und den Radius der Kapillare r 0 aus. Es ist klar, dass r 0 = r cosQ, die Höhe des Der Kapillaranstieg wird ausgedrückt als (Jurins Formel):
h = 2scosQ / r 0 (r - r 0)g
In Abwesenheit einer Benetzung Q>90 0 , сosQ< 0, уровень жидкости опускается на величину h. При полном смачивании Q = 0, сosQ = 1, в этом случае радиус мениска равен радиусу капилляра. Измерение высоты капиллярного поднятия лежит в основе одного из наиболее точных методов определения поверхностного натяжения жидкостей.
Eine Reihe bekannter Phänomene und Prozesse werden durch das kapillare Aufsteigen von Flüssigkeiten erklärt: Die Imprägnierung von Papier und Stoffen erfolgt durch das kapillare Aufsteigen von Flüssigkeit in den Poren. Die Wasserbeständigkeit von Stoffen wird durch ihre Hydrophobie gewährleistet – eine Folge des negativen Kapillaraufstiegs. Das Aufsteigen von Wasser aus dem Boden erfolgt aufgrund der Struktur des Bodens und sichert die Existenz der Vegetationsdecke der Erde, das Aufsteigen von Wasser aus dem Boden entlang der Pflanzenstämme erfolgt aufgrund der Faserstruktur des Holzes, dem Prozess Durchblutungsstörungen der Blutgefäße, Aufsteigen von Feuchtigkeit in den Gebäudewänden (Verlegeabdichtungen) usw.
Thermodynamische Reaktivität (t.r.s.).
Es bezeichnet die Fähigkeit eines Stoffes, in einen anderen Zustand, beispielsweise in eine andere Phase, überzugehen und eine chemische Reaktion einzugehen. Es gibt die Entfernung des gegebenen Systems vom Gleichgewichtszustand unter gegebenen Bedingungen an. T.r.s. wird durch die chemische Affinität bestimmt, die als Änderung der Gibbs-Energie oder als Differenz chemischer Potentiale ausgedrückt werden kann.
R.s hängt vom Dispersionsgrad des Stoffes ab. Eine Änderung des Dispersionsgrades kann zu einer Verschiebung der Phase oder des chemischen Gleichgewichts führen.
Der entsprechende Anstieg der Gibbs-Energie dG d (aufgrund einer Dispersionsänderung) kann als kombinierte Gleichung des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik dargestellt werden: dG d = -S dT + V dp
Für einen einzelnen Stoff V = V mol und bei T = const gilt: dG d = V mol dp oder DG d = V mol Dp
Wenn wir die Laplace-Beziehung in diese Gleichung einsetzen, erhalten wir dG d = s V mol ds/dV
für sphärische Krümmung: dG d \u003d ± 2 s V mol / r (3)
Die Gleichungen zeigen, dass der Anstieg der Reaktivität aufgrund einer Dispersionsänderung proportional zur Krümmung der Oberfläche oder Dispersion ist.
Wenn wir den Übergang eines Stoffes von einer kondensierten in eine gasförmige Phase betrachten, kann die Gibbs-Energie als idealer Zustand als Dampfdruck ausgedrückt werden. Dann ist die zusätzliche Änderung der Gibbs-Energie, die mit der Änderung der Dispersion verbunden ist:
dG d \u003d RT ln (p d / p s) (4), wobei p d und p s der gesättigte Dampfdruck über gekrümmten und ebenen Oberflächen sind.
Wenn wir (4) in (3) einsetzen, erhalten wir: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r
Das Verhältnis wird Kelvin-Thomson-Gleichung genannt. Aus dieser Gleichung folgt, dass bei einer positiven Krümmung der Sättigungsdampfdruck über einer gekrümmten Oberfläche umso größer ist, je größer die Krümmung ist, d.h. kleinerer Tropfenradius. Beispielsweise gilt für einen Wassertropfen mit einem Radius von r = 10 -5 cm (s=73, V mol =18) p d / p s = 0,01, also 1 %. Diese Konsequenz des Kelvin-Thomson-Gesetzes ermöglicht es, das Phänomen der isotremischen Destillation vorherzusagen, das in der Verdampfung kleinster Tropfen und der Kondensation von Dampf an größeren Tropfen und auf einer ebenen Oberfläche besteht.
Bei einer negativen Krümmung, die in Kapillaren während der Benetzung auftritt, ergibt sich ein umgekehrter Zusammenhang: Der Sättigungsdampfdruck über der gekrümmten Oberfläche (über dem Tropfen) nimmt mit zunehmender Krümmung (mit abnehmendem Kapillarradius) ab. Wenn also die Flüssigkeit die Kapillare benetzt, erfolgt die Dampfkondensation in der Kapillare bei einem geringeren Druck als auf einer ebenen Fläche. Aus diesem Grund werden die Kelvin-Gleichungen oft als Kapillarkondensationsgleichung bezeichnet.
Betrachten wir den Einfluss der Partikeldispersion auf ihre Löslichkeit. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Änderung der Gibbs-Energie durch die Löslichkeit eines Stoffes in einem anderen dispersen Zustand ausgedrückt wird, erhalten wir für Nichtelektrolyte, ähnlich wie in Beziehung (4):
ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r wobei c d und c a die Löslichkeit einer Substanz in feindispersem Zustand und die Löslichkeit im Gleichgewicht mit großen Partikeln dieser Substanz sind
Für einen Elektrolyten, der in Lösung in n Ionen zerfällt, können wir schreiben (unter Vernachlässigung der Aktivitätskoeffizienten):
ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol /RT r, wobei a d und a s die Elektrolytaktivitäten in gesättigten Lösungen im hochdispersen y- und grobdispersen Zustand sind. Die Gleichungen zeigen, dass mit zunehmender Dispersion die Löslichkeit zunimmt bzw. das chemische Potenzial der Partikel des dispersen Systems um 2 s V mol /r größer ist als das eines großen Partikels. Gleichzeitig hängt die Löslichkeit vom Vorzeichen der Oberflächenkrümmung ab, was bedeutet, dass sich die Bereiche mit positiver Krümmung auflösen, wenn die Partikel eines Festkörpers eine unregelmäßige Form mit positiver und negativer Krümmung haben und sich in einer gesättigten Lösung befinden diejenigen mit negativer Krümmung werden wachsen. Dadurch nehmen die Partikel des gelösten Stoffes schließlich eine wohldefinierte Form an, die dem Gleichgewichtszustand entspricht.
Der Grad der Dispersion kann auch das Gleichgewicht einer chemischen Reaktion beeinflussen: - DG 0 d = RT ln (K d / K), wobei DG 0 d der Zuwachs der chemischen Affinität aufgrund der Dispersion ist, K d und K das Gleichgewicht sind Konstanten von Reaktionen mit dispergierten und nicht-dispergierten Stoffen.
Mit zunehmender Dispersion nimmt die Aktivität der Komponenten zu und dementsprechend ändert sich die chemische Gleichgewichtskonstante je nach Dispersionsgrad der Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte in die eine oder andere Richtung. Zum Beispiel für die Zersetzungsreaktion von Calciumcarbonat: CaCO 3 " CaO + CO 2
Eine Erhöhung der Dispersität des anfänglichen Calciumcarbonats verschiebt das Gleichgewicht nach rechts und der Kohlendioxiddruck über dem System steigt. Eine Erhöhung der Dispersion von Calciumoxid führt zum gegenteiligen Ergebnis.
Aus dem gleichen Grund wird mit zunehmender Dispersion die Bindung des Kristallwassers an den Stoff geschwächt. Also Al 2 O 3 Makrokristall. 3 H 2 O gibt bei 473 K Wasser ab, während sich in einem Niederschlag kolloidaler Partikel das kristalline Hydrat bei 373 K zersetzt. Gold interagiert nicht mit Salzsäure und kolloidales Gold löst sich darin auf. Grober Schwefel interagiert nicht wesentlich mit Silbersalzen und kolloidaler Schwefel bildet Silbersulfid.
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- Teilnehmer: Nikolaev Wladimir Sergejewitsch
- Leitung: Suleimanova Alfiya Saifullovna
Einführung
Im Zeitalter der Hochtechnologie gewinnen die Naturwissenschaften im Leben der Menschen immer mehr an Bedeutung. Die Menschen des 21. Jahrhunderts stellen hocheffiziente Computer und Smartphones her und studieren die Welt um uns herum immer tiefer. Ich denke, dass sich die Menschen auf eine neue wissenschaftliche und technologische Revolution vorbereiten, die unsere Zukunft grundlegend verändern wird. Aber niemand weiß, wann diese Veränderungen stattfinden werden. Jeder Mensch kann mit seiner Arbeit diesen Tag näher bringen.
Diese Forschungsarbeit ist mein kleiner Beitrag zur Entwicklung der Physik.
Diese Forschungsarbeit widmet sich dem aktuell aktuellen Thema „Kapillarphänomene“. Im Leben haben wir es oft mit Körpern zu tun, die von vielen kleinen Kanälen durchbohrt sind (Papier, Garn, Leder, verschiedene Baumaterialien, Erde, Holz). Bei Kontakt mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten nehmen solche Körper diese sehr oft auf. Dieses Projekt zeigt die Bedeutung von Kapillaren im Leben lebender und nicht lebender Organismen.
Der Zweck der Forschungsarbeit: die Ursache der Flüssigkeitsbewegung durch Kapillaren aus physikalischer Sicht zu begründen, die Merkmale von Kapillarphänomenen zu identifizieren.
Untersuchungsgegenstand: Die Eigenschaft von Flüssigkeiten, durch die Kapillaren aufzusteigen oder abzusinken.
Forschungsgegenstand: Kapillarphänomene in der belebten und unbelebten Natur.
- Theoretisches Material über die Eigenschaften einer Flüssigkeit studieren.
- Machen Sie sich mit dem Material zu Kapillarphänomenen vertraut.
- Führen Sie eine Reihe von Experimenten durch, um die Ursache für den Flüssigkeitsanstieg in den Kapillaren zu ermitteln.
- Fassen Sie den während der Arbeit untersuchten Stoff zusammen und formulieren Sie eine Schlussfolgerung.
Bevor mit der Untersuchung von Kapillarphänomenen begonnen wird, ist es notwendig, sich mit den Eigenschaften der Flüssigkeit vertraut zu machen, die bei Kapillarphänomenen eine wichtige Rolle spielen.
Oberflächenspannung
Der Begriff „Oberflächenspannung“ selbst impliziert, dass sich die Substanz an der Oberfläche in einem „dichten“, also gespannten Zustand befindet, der durch die Wirkung einer Kraft namens Innendruck erklärt wird. Es zieht Moleküle in einer Richtung senkrecht zu ihrer Oberfläche in die Flüssigkeit. Somit erfahren Moleküle, die sich in den inneren Schichten einer Substanz befinden, im Durchschnitt in alle Richtungen die gleiche Anziehungskraft von den umgebenden Molekülen; Die Moleküle der Oberflächenschicht unterliegen einer ungleichen Anziehungskraft von der Seite der inneren Stoffschichten und von der Seite, die an die Oberflächenschicht des Mediums grenzt. Beispielsweise werden an der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche die in der Oberflächenschicht befindlichen Flüssigkeitsmoleküle stärker von den benachbarten Molekülen der inneren Schichten der Flüssigkeit angezogen als von den Luftmolekülen. Dies ist der Grund für den Unterschied zwischen den Eigenschaften der Oberflächenschicht der Flüssigkeit und den Eigenschaften ihrer Innenvolumina.
Der Innendruck führt dazu, dass die auf der Flüssigkeitsoberfläche befindlichen Moleküle nach innen gezogen werden und dadurch unter bestimmten Bedingungen dazu neigen, die Oberfläche auf ein Minimum zu reduzieren. Die pro Längeneinheit der Grenzfläche wirkende Kraft, die die Kontraktion der Flüssigkeitsoberfläche verursacht, wird Oberflächenspannungskraft oder einfach Oberflächenspannung σ genannt.
Die Oberflächenspannung verschiedener Flüssigkeiten ist nicht gleich, sie hängt von ihrem Molvolumen, der Polarität der Moleküle, der Fähigkeit der Moleküle, untereinander Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden usw. ab.
Mit zunehmender Temperatur nimmt die Oberflächenspannung linear ab. Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit wird auch durch die darin enthaltenen Verunreinigungen beeinflusst. Stoffe, die die Oberflächenspannung verringern, werden als oberflächenaktive Stoffe (Tenside) bezeichnet. Im Verhältnis zu Wasser sind Tenside Erdölprodukte, Alkohole, Äther, Seife und andere flüssige und feste Stoffe. Manche Stoffe erhöhen die Oberflächenspannung. Zum Beispiel Verunreinigungen durch Salze und Zucker.
Dies wird von MKT erklärt. Wenn die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit selbst größer sind als die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen des Tensids und der Flüssigkeit, dann wandern die Flüssigkeitsmoleküle von der Oberflächenschicht nach innen und die Tensidmoleküle werden an die Oberfläche gedrückt . Es ist offensichtlich, dass die Salz- und Zuckermoleküle in die Flüssigkeit gezogen und die Wassermoleküle an die Oberfläche gedrückt werden. Somit ist die Oberflächenspannung, der Grundbegriff der Physik und Chemie von Oberflächenphänomenen, auch in praktischer Hinsicht eine der wichtigsten Eigenschaften. Es ist zu beachten, dass jede ernsthafte wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Physik heterogener Systeme die Messung der Oberflächenspannung erfordert. Die Geschichte der experimentellen Methoden zur Bestimmung der Oberflächenspannung, die mehr als zwei Jahrhunderte zurückreicht, hat sich von einfachen und groben Methoden zu Präzisionsmethoden entwickelt, die es ermöglichen, die Oberflächenspannung mit einer Genauigkeit von Hundertstel Prozent zu bestimmen. Das Interesse an diesem Problem hat in den letzten Jahrzehnten insbesondere im Zusammenhang mit dem Weltraumspaziergang des Menschen und der Entwicklung industrieller Strukturen zugenommen, bei denen Kapillarkräfte in verschiedenen Geräten häufig eine entscheidende Rolle spielen.
Eine solche Methode zur Bestimmung der Oberflächenspannung basiert auf dem Anheben einer benetzenden Flüssigkeit zwischen zwei Glasplatten. Sie sollten in ein Gefäß mit Wasser gesenkt und nach und nach parallel zueinander zusammengeführt werden. Wasser beginnt zwischen den Platten aufzusteigen – es wird durch die oben erwähnte Oberflächenspannungskraft angezogen. Der Oberflächenspannungskoeffizient σ lässt sich leicht aus der Höhe des Wasseraufstiegs y und dem Spalt zwischen den Platten berechnen D.
Oberflächenspannungskraft F= 2σ L, Wo L- die Länge der Platte (die Zwei entstand aufgrund der Tatsache, dass Wasser mit beiden Platten in Kontakt kam). Diese Kraft hält die Wassermassenschicht M = ρ Ldu, wobei ρ die Dichte von Wasser ist. Also 2σ L = ρ Ldug. Von hier aus können wir den Koeffizienten der Oberflächenspannung σ = 1/2(ρ) ermitteln gdu). (1) Interessanter ist es jedoch, die Platten an einem Ende zusammenzudrücken und am anderen Ende eine kleine Lücke zu lassen.
Das Wasser steigt auf und bildet eine überraschend gleichmäßige Oberfläche zwischen den Platten. Der Schnitt dieser Fläche durch eine vertikale Ebene ist eine Hyperbel. Um dies zu beweisen, reicht es aus, die Lücke an einer bestimmten Stelle in Formel (1) anstelle von d durch einen neuen Ausdruck zu ersetzen. Aus der Ähnlichkeit der entsprechenden Dreiecke (siehe Abb. 2) D = D (X/L). Hier D- Freigabe am Ende L ist die Länge der Platte und X- Der Abstand von der Kontaktstelle der Platten bis zur Lücke und die Höhe der Wasserwaage werden bestimmt. Somit ist σ = 1/2(ρ gu)D(X/L), oder bei= 2σ L/ρ gD(1/ X). (2) Gleichung (2) ist tatsächlich eine hyperbolische Gleichung.
Benetzend und nicht benetzend
Für eine detaillierte Untersuchung von Kapillarphänomenen sollte man auch einige molekulare Phänomene berücksichtigen, die an der Dreiphasengrenze der Koexistenz fester, flüssiger, gasförmiger Phasen auftreten, insbesondere wird der Kontakt einer Flüssigkeit mit einem festen Körper berücksichtigt. Wenn die Adhäsionskräfte zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit größer sind als zwischen den Molekülen eines Festkörpers, dann neigt die Flüssigkeit dazu, die Grenze (Fläche) ihres Kontakts mit dem Festkörper zu verringern und sich nach Möglichkeit von ihm zurückzuziehen. Ein Tropfen einer solchen Flüssigkeit auf einer horizontalen Oberfläche eines Festkörpers nimmt die Form einer abgeflachten Kugel an. In diesem Fall wird die Flüssigkeit als Nichtbenetzung des Feststoffs bezeichnet. Der Winkel θ, den die Oberfläche eines Festkörpers mit der Tangente an die Oberfläche der Flüssigkeit bildet, wird Kantenwinkel genannt. Bei Nichtbenetzung θ > 90°. In diesem Fall wird eine feste Oberfläche, die nicht von einer Flüssigkeit benetzt wird, als hydrophob oder oleophil bezeichnet. Wenn die Adhäsionskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit geringer sind als zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und dem Feststoff, dann neigt die Flüssigkeit dazu, die Kontaktgrenze mit dem Feststoff zu vergrößern. In diesem Fall wird die Flüssigkeit als Benetzung des Feststoffs bezeichnet; Kontaktwinkel θ< 90°. Поверхность же будет носить название гидрофильная. Случай, когда θ = 180°, называется полным несмачиванием. Однако это практически никогда не наблюдается, так как между молекулами жидкости и твёрдого тела всегда действуют силы притяжения. При θ = 0° наблюдается полное смачивание: жидкость растекается по всей поверхности твёрдого тела. Полное смачивание или полное несмачиваение являются крайними случаями. Между ними в зависимости от соотношения молекулярных сил промежуточное положение занимают переходные случаи неполного смачивания.
Benetzbarkeit und Nichtbenetzbarkeit sind relative Konzepte: Eine Flüssigkeit, die einen Feststoff benetzt, benetzt möglicherweise keinen anderen. Beispielsweise benetzt Wasser Glas, Paraffin jedoch nicht; Quecksilber benetzt Glas nicht, wohl aber Kupfer.
Unter Benetzung wird meist das Ergebnis der Einwirkung von Oberflächenspannungskräften verstanden. Die Oberflächenspannung an der Luft-Flüssigkeits-Grenze sei σ 1,2, an der Flüssigkeits-Feststoff-Grenze σ 1,3 und an der Luft-Feststoff-Grenze σ 2,3.
Pro Längeneinheit des Benetzungsumfangs wirken drei Kräfte, numerisch gleich σ 1,2, σ 2,3, σ 1,3, die tangential auf die entsprechenden Grenzflächen gerichtet sind. Im Gleichgewichtsfall müssen sich alle Kräfte gegenseitig ausgleichen. Die Kräfte σ 2,3 und σ 1,3 wirken in der Ebene der Oberfläche eines Festkörpers, die Kraft σ 1,2 ist in einem Winkel θ auf die Oberfläche gerichtet.
Die Gleichgewichtsbedingung für die Grenzflächen hat folgende Form:
Der Wert von cosθ wird üblicherweise als Benetzung bezeichnet und mit dem Buchstaben B bezeichnet.
Die Beschaffenheit der Oberfläche hat einen gewissen Einfluss auf die Benetzung. Bereits in Gegenwart einer monomolekularen Schicht aus Kohlenwasserstoffen ändert sich die Benetzbarkeit dramatisch. Letztere sind stets in ausreichender Menge in der Atmosphäre vorhanden. Das Oberflächenmikrorelief hat auch einen gewissen Einfluss auf die Benetzung. Bisher wurde jedoch noch keine einzige Regelmäßigkeit des Einflusses der Rauheit einer Oberfläche auf ihre Benetzung durch eine Flüssigkeit entdeckt. Zum Beispiel die Wenzel-Deryagin-Gleichung cosθ = X cosθ0 verbindet die Kontaktwinkel der Flüssigkeit auf rauen (θ) und glatten (θ 0) Oberflächen mit dem Verhältnis x der Fläche der wahren Oberfläche des rauen Körpers zu seiner Projektion auf die Ebene. In der Praxis wird diese Gleichung jedoch nicht immer eingehalten. Nach dieser Gleichung gilt also im Falle der Benetzung (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 - zu seiner Erhöhung (d. h. zu größerer Hydrophobie). Darauf aufbauend werden in der Regel Angaben zum Einfluss der Rauheit auf die Benetzung gemacht.
Nach Ansicht vieler Autoren ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit auf einer rauen Oberfläche geringer, da die Flüssigkeit während der Ausbreitung eine verzögernde Wirkung der auftretenden Unebenheiten (Rippen) der Rauheit erfährt. Es ist zu beachten, dass die Änderungsrate des Durchmessers eines Flecks, der durch einen streng dosierten Flüssigkeitstropfen auf einer sauberen Oberfläche eines Materials gebildet wird, als Hauptmerkmal der Benetzung in Kapillaren verwendet wird. Sein Wert hängt sowohl von Oberflächenphänomenen als auch von der Viskosität der Flüssigkeit, ihrer Dichte und Flüchtigkeit ab.
Es ist offensichtlich, dass sich eine viskosere Flüssigkeit mit ansonsten gleichen Eigenschaften länger über die Oberfläche ausbreitet und daher langsamer durch den Kapillarkanal fließt.
Kapillarphänomene
Kapillarphänomene, eine Reihe von Phänomenen, die durch Oberflächenspannung an der Grenzfläche nicht mischbarer Medien (in Flüssigkeit-Flüssigkeit-, Flüssigkeit-Gas- oder Dampfsystemen) bei Vorhandensein einer Oberflächenkrümmung verursacht werden. Ein Sonderfall von Oberflächenphänomenen.
Nachdem wir die den Kapillarphänomenen zugrunde liegenden Kräfte im Detail untersucht haben, lohnt es sich, direkt auf die Kapillaren einzugehen. Empirisch kann man also beobachten, dass eine benetzende Flüssigkeit (z. B. Wasser in einem Glasröhrchen) durch die Kapillare aufsteigt. Dabei gilt: Je kleiner der Kapillarradius, desto höher steigt die Flüssigkeit darin. Eine Flüssigkeit, die die Kapillarwände nicht benetzt (z. B. Quecksilber bei einem Glasröhrchen), fällt in einem weiten Gefäß unter den Flüssigkeitsspiegel. Warum steigt also die benetzende Flüssigkeit durch die Kapillare auf, während die nicht benetzende Flüssigkeit absteigt?
Es ist nicht schwer zu erkennen, dass die Oberfläche der Flüssigkeit direkt an den Gefäßwänden etwas gekrümmt ist. Wenn die mit der Gefäßwand in Kontakt stehenden Flüssigkeitsmoleküle stärker mit den Molekülen des Festkörpers interagieren als untereinander, neigt die Flüssigkeit in diesem Fall dazu, die Kontaktfläche mit dem Festkörper zu vergrößern (Benetzungsflüssigkeit). Dabei biegt sich die Oberfläche der Flüssigkeit nach unten und soll die Wände des Gefäßes, in dem sie sich befindet, benetzen. Wenn die Moleküle der Flüssigkeit stärker miteinander interagieren als mit den Molekülen der Gefäßwände, dann neigt die Flüssigkeit dazu, die Kontaktfläche mit dem Festkörper zu verringern, ihre Oberfläche wölbt sich nach oben. Man spricht in diesem Fall von einer Nichtbenetzung der Gefäßwände durch die Flüssigkeit.
In schmalen Röhren, deren Durchmesser Bruchteile eines Millimeters beträgt, bedecken die gekrümmten Ränder der Flüssigkeit die gesamte Oberflächenschicht, und die gesamte Flüssigkeitsoberfläche in solchen Röhren hat eine Form, die einer Halbkugel ähnelt. Dies ist der sogenannte Meniskus. Es kann konkav sein, was bei Benetzung zu beobachten ist, und konvex, wenn es nicht benetzt ist. Der Krümmungsradius der Flüssigkeitsoberfläche liegt in der gleichen Größenordnung wie der Radius des Rohrs. Die Benetzungs- und Nichtbenetzungsphänomene werden in diesem Fall auch durch den Kontaktwinkel θ zwischen der benetzten Oberfläche des Kapillarrohrs und dem Meniskus an den Kontaktpunkten charakterisiert.
Unter einem konkaven Meniskus der benetzenden Flüssigkeit ist der Druck geringer als unter einer ebenen Fläche. Daher steigt die Flüssigkeit in einem engen Rohr (Kapillare) an, bis der hydrostatische Druck der in der Kapillare auf Höhe einer ebenen Fläche angehobenen Flüssigkeit den Druckunterschied ausgleicht. Unter einem konvexen Meniskus einer nicht benetzenden Flüssigkeit ist der Druck größer als unter einer ebenen Fläche, was zum Absinken der nicht benetzenden Flüssigkeit führt.
Das Vorhandensein von Oberflächenspannungskräften und die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche in einem Kapillarrohr sind für den zusätzlichen Druck unter der gekrümmten Oberfläche verantwortlich, der als Laplace-Druck bezeichnet wird: ∆ P= ± 2σ / R.
Das Vorzeichen des Kapillardrucks („Plus“ oder „Minus“) hängt vom Vorzeichen der Krümmung ab. Der Krümmungsmittelpunkt einer konvexen Oberfläche liegt innerhalb der entsprechenden Phase. Konvexe Flächen haben eine positive Krümmung, konkave Flächen eine negative Krümmung.
Somit wird der Gleichgewichtszustand für eine Flüssigkeit in einem Kapillarrohr durch die Gleichheit bestimmt
P 0 = P 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)
wobei ρ die Flüssigkeitsdichte ist, H ist die Höhe seines Anstiegs in der Röhre, P 0 - Atmosphärendruck.
Aus diesem Ausdruck folgt das H= 2σ /ρ GR. (2)
Wir transformieren die resultierende Formel, indem wir den Krümmungsradius ausdrücken R Meniskus durch den Radius des Kapillarrohrs R.
Aus Abb. 6.18 Daraus folgt R = R cosθ . Wenn wir (1) in (2) einsetzen, erhalten wir: H= 2σ cosθ /ρ GR.
Die resultierende Formel, die die Steighöhe einer Flüssigkeit in einem Kapillarrohr bestimmt, wird Jurin-Formel genannt. Offensichtlich steigt die Flüssigkeit darin umso höher, je kleiner der Radius des Rohrs ist. Darüber hinaus nimmt die Steighöhe mit zunehmendem Oberflächenspannungskoeffizienten der Flüssigkeit zu.
Das Aufsteigen der Benetzungsflüssigkeit durch die Kapillare lässt sich auch auf andere Weise erklären. Wie bereits erwähnt, neigt die Oberfläche der Flüssigkeit unter der Einwirkung von Oberflächenspannungskräften dazu, zu schrumpfen. Dadurch neigt die Oberfläche des konkaven Meniskus dazu, sich aufzurichten und flach zu werden. Gleichzeitig zieht es die darunter liegenden Flüssigkeitspartikel mit und die Flüssigkeit steigt in der Kapillare nach oben. Aber die Oberfläche einer Flüssigkeit in einem engen Rohr kann nicht flach bleiben, sie muss die Form eines konkaven Meniskus haben. Sobald die gegebene Oberfläche in der neuen Position die Form eines Meniskus annimmt, neigt sie wieder dazu, sich zusammenzuziehen, und so weiter. Aus diesen Gründen steigt die Benetzungsflüssigkeit durch die Kapillare. Der Auftrieb stoppt, wenn die Schwerkraft F der angehobenen Flüssigkeitssäule, die die Oberfläche nach unten zieht, die resultierende Kraft F der Oberflächenspannungskräfte ausgleicht, die tangential zu jedem Punkt auf der Oberfläche gerichtet sind.
Entlang des Kontaktumfangs der Flüssigkeitsoberfläche mit der Kapillarwand wirkt eine Oberflächenspannungskraft gleich dem Produkt aus dem Oberflächenspannungskoeffizienten und dem Umfang: 2σπ R, Wo R ist der Kapillarradius.
Die auf die angehobene Flüssigkeit wirkende Schwerkraft beträgt
F Strang = mg = ρ Vg = ρπ R^2hg
wobei ρ die Flüssigkeitsdichte ist; H ist die Höhe der Flüssigkeitssäule in der Kapillare; G- Anordnung der Schwerkraft.
Der Flüssigkeitsanstieg stoppt, wenn F Strang = F oder ρπ R^2hg= 2σπ R. Daher die Höhe des Flüssigkeitsanstiegs in der Kapillare H= 2σ /ρ GR.
Im Falle einer nicht benetzenden Flüssigkeit sinkt diese nach unten und drückt dabei die Flüssigkeit aus der Kapillare, um ihre Oberfläche zu verkleinern.
Die abgeleitete Formel ist auch auf eine nicht benetzende Flüssigkeit anwendbar. In diesem Fall H ist die Höhe der Flüssigkeit in der Kapillare.
Kapillarphänomene in der Natur
Kapillarphänomene kommen auch in der Natur sehr häufig vor und werden häufig bei praktischen menschlichen Aktivitäten genutzt. Holz, Papier, Leder, Ziegel und viele andere Gegenstände um uns herum haben Kapillaren. Durch die Kapillaren steigt Wasser entlang der Stängel der Pflanzen auf und wird vom Handtuch aufgenommen, wenn wir uns damit abtrocknen. Auch das Aufsteigen von Wasser durch kleinste Löcher in einem Stück Zucker oder die Blutentnahme aus einem Finger sind Beispiele für Kapillarphänomene.
Das menschliche Kreislaufsystem beginnt mit sehr dicken Gefäßen und endet mit einem sehr ausgedehnten Netzwerk dünnster Kapillaren. Solche Daten können beispielsweise von Interesse sein. Die Querschnittsfläche der Aorta beträgt 8 cm 2 . Der Durchmesser einer Blutkapillare kann 50-mal kleiner sein als der Durchmesser eines menschlichen Haares mit einer Länge von 0,5 mm. Im erwachsenen menschlichen Körper gibt es etwa 160 Milliarden Kapillaren. Ihre Gesamtlänge beträgt 80.000 km.
Durch die zahlreichen im Boden vorhandenen Kapillaren steigt Wasser aus tieferen Schichten an die Oberfläche und verdunstet dort intensiv. Um den Feuchtigkeitsverlust zu verlangsamen, werden Kapillaren zerstört, indem der Boden mit Hilfe von Eggen, Grubbern und Aufreißern gelockert wird.
Praktischer Teil
Nehmen Sie ein Glasrohr mit einem sehr kleinen Innendurchmesser ( D < l мм), так называемый капилляр. Опустим один из концов капилляра в сосуд с водой -вода поднимется выше уровня воды в сосуде. Поверхностное натяжение способно поднимать жидкость на сравнительно большую высоту.
Das Aufsteigen einer Flüssigkeit aufgrund der Wirkung der Kräfte der Oberflächenspannung von Wasser kann in einem einfachen Experiment beobachtet werden. Nehmen Sie einen sauberen Lappen, tauchen Sie ein Ende davon in ein Glas Wasser und hängen Sie das andere Ende über den Rand des Glases. Wasser beginnt durch die Poren des Stoffes aufzusteigen, ähnlich wie bei Kapillarröhrchen, und durchnässt den gesamten Stoff. Überschüssiges Wasser tropft vom hängenden Ende (siehe Foto 2).
Nimmt man für den Versuch einen hellen Stoff, dann ist auf dem Foto nur sehr schlecht zu erkennen, wie sich das Wasser durch den Stoff verteilt. Bedenken Sie auch, dass nicht bei allen Stoffen überschüssiges Wasser vom hängenden Ende tropft. Ich habe dieses Experiment zweimal durchgeführt. Beim ersten Mal haben wir einen leichten Stoff (Baumwolljersey) verwendet; Wasser tropfte sehr gut vom hängenden Ende. Beim zweiten Mal verwendeten sie einen dunklen Stoff (Strickware aus Mischfasern – Baumwolle und Synthetik); Es war deutlich zu erkennen, wie sich das Wasser über den Stoff verteilte, aber die Tropfen vom hängenden Ende tropften nicht.
Das Aufsteigen einer Flüssigkeit durch die Kapillaren erfolgt, wenn die Anziehungskräfte der Flüssigkeitsmoleküle untereinander geringer sind als die Anziehungskräfte gegenüber den Festkörpermolekülen. In diesem Fall soll die Flüssigkeit den Feststoff benetzen.
Nimmt man ein nicht sehr dünnes Röhrchen, füllt es mit Wasser und verschließt das untere Ende des Röhrchens mit dem Finger, sieht man, dass der Wasserspiegel im Röhrchen konkav ist (Abb. 9).
Dies liegt daran, dass Wassermoleküle von den Molekülen der Gefäßwände stärker angezogen werden als voneinander.
Nicht alle Flüssigkeiten und auch keine Röhrchen „haften“ an den Wänden. Es kommt auch vor, dass die Flüssigkeit in der Kapillare unter das Niveau eines weiten Gefäßes fällt, während dessen Oberfläche konvex ist. Man sagt, dass eine solche Flüssigkeit die Oberfläche eines Festkörpers nicht benetzt. Die Anziehungskraft flüssiger Moleküle untereinander ist stärker als zu den Molekülen der Gefäßwände. So verhält sich beispielsweise Quecksilber in einer Glaskapillare. (Abb.10)
Abschluss
Deshalb habe ich im Laufe dieser Arbeit sichergestellt, dass:
- Kapillarphänomene spielen in der Natur eine wichtige Rolle.
- Der Aufstieg der Flüssigkeit in der Kapillare setzt sich fort, bis die auf die Flüssigkeitssäule in der Kapillare wirkende Schwerkraft im absoluten Wert der resultierenden Kraft entspricht.
- Die benetzende Flüssigkeit in den Kapillaren steigt auf und die nicht benetzende Flüssigkeit sinkt nach unten.
- Die Steighöhe der Flüssigkeit in der Kapillare ist direkt proportional zu ihrer Oberflächenspannung und umgekehrt proportional zum Radius des Kapillarkanals und der Dichte der Flüssigkeit.
Unter den Prozessen, die mit Hilfe der Oberflächenspannung und Benetzung von Flüssigkeiten erklärt werden können, sind Kapillarphänomene hervorzuheben. Die Physik ist eine mysteriöse und außergewöhnliche Wissenschaft, ohne die das Leben auf der Erde unmöglich wäre. Schauen wir uns das markanteste Beispiel dieser wichtigen Disziplin an.
In der Lebenspraxis sind solche aus physikalischer Sicht interessanten Prozesse wie Kapillarphänomene weit verbreitet. Die Sache ist, dass wir im Alltag von vielen Körpern umgeben sind, die leicht Flüssigkeit aufnehmen. Der Grund dafür liegt in ihrer porösen Struktur und den elementaren Gesetzen der Physik, und die Folge sind Kapillarphänomene.
Schmale Rohre
Eine Kapillare ist ein sehr schmales Rohr, in dem sich die Flüssigkeit auf eine bestimmte Weise verhält. In der Natur gibt es viele Beispiele für solche Gefäße – Kapillaren des Kreislaufsystems, poröse Körper, Erde, Pflanzen usw.
Das Kapillarphänomen ist das Aufsteigen oder Absinken von Flüssigkeiten durch enge Röhren. Solche Prozesse werden in den natürlichen Kanälen von Menschen, Pflanzen und anderen Körpern sowie in speziellen schmalen Glasgefäßen beobachtet. Das Bild zeigt, dass sich in den unterschiedlich dicken Verbindungsrohren unterschiedliche Wasserstände eingestellt haben. Es ist zu beachten, dass der Wasserstand umso höher ist, je dünner das Gefäß ist.
Diese Phänomene liegen den absorbierenden Eigenschaften des Handtuchs, der Ernährung der Pflanzen, der Bewegung der Tinte entlang des Stabes und vielen anderen Prozessen zugrunde.
Kapillarphänomene in der Natur
Der oben beschriebene Prozess ist für die Erhaltung des Pflanzenlebens äußerst wichtig. Der Boden ist ziemlich locker, es gibt Lücken zwischen seinen Partikeln, die ein Kapillarnetz darstellen. Durch diese Kanäle steigt Wasser auf und versorgt das Wurzelsystem der Pflanzen mit Feuchtigkeit und allen notwendigen Substanzen.
Durch dieselben Kapillaren verdunstet die Flüssigkeit aktiv, daher ist es notwendig, den Boden zu pflügen, wodurch die Kanäle zerstört und Nährstoffe zurückgehalten werden. Umgekehrt verdunstet die gepresste Erde die Feuchtigkeit schneller. Dies liegt daran, dass es wichtig ist, das Land zu pflügen, um die Flüssigkeit im Untergrund zurückzuhalten.
Bei Pflanzen sorgt das Kapillarsystem dafür, dass die Feuchtigkeit von den kleinen Wurzeln in die obersten Teile aufsteigt und über die Blätter in die äußere Umgebung verdunstet.
Oberflächenspannung und Benetzung
Die Frage nach dem Verhalten von Flüssigkeiten in Gefäßen basiert auf physikalischen Prozessen wie Oberflächenspannung und Benetzung. Die durch sie verursachten Kapillarphänomene werden in einem Komplex untersucht.
Unter der Wirkung der Oberflächenspannungskraft befindet sich die benetzende Flüssigkeit in den Kapillaren über dem Niveau, das sie nach dem Gesetz der kommunizierenden Gefäße haben sollte. Umgekehrt befindet sich unterhalb dieses Niveaus ein nicht benetzender Stoff.
Das heißt, Wasser in einem Glasrohr (Benetzungsflüssigkeit) steigt umso höher, je dünner das Gefäß ist. Im Gegenteil, Quecksilber in einem Glasröhrchen (nicht benetzende Flüssigkeit) sinkt umso tiefer, je dünner dieser Behälter ist. Darüber hinaus bildet die benetzende Flüssigkeit, wie im Bild gezeigt, eine konkave Meniskusform, während die nicht benetzende Flüssigkeit eine konvexe Form bildet.
Benetzung
Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, das an der Grenzfläche auftritt, an der eine Flüssigkeit mit einem Feststoff (einer anderen Flüssigkeit, Gase) in Kontakt kommt. Es entsteht durch die besondere Wechselwirkung von Molekülen an der Grenze ihres Kontakts.
Vollständige Benetzung bedeutet, dass sich der Tropfen über die Oberfläche des Feststoffs ausbreitet, bei Nichtbenetzung verwandelt er sich in eine Kugel. In der Praxis ist der eine oder andere Grad der Benetzung am häufigsten anzutreffen und keine extremen Optionen.
Oberflächenspannungskraft
Die Oberfläche des Tropfens hat eine Kugelform und der Grund dafür ist das auf Flüssigkeiten wirkende Gesetz – die Oberflächenspannung.
Kapillarphänomene sind darauf zurückzuführen, dass die konkave Seite der Flüssigkeit im Röhrchen aufgrund von Oberflächenspannungskräften dazu neigt, sich in einen flachen Zustand auszurichten. Damit einher geht, dass die äußeren Partikel die unter ihnen liegenden Körper nach oben ziehen und die Substanz in der Röhre nach oben steigt. Allerdings kann die Flüssigkeit in der Kapillare nicht die flache Form der Oberfläche annehmen und dieser Aufstiegsprozess setzt sich bis zu einem bestimmten Gleichgewichtspunkt fort. Um die Höhe zu berechnen, bis zu der eine Wassersäule steigt (sinkt), müssen Sie die unten aufgeführten Formeln verwenden.
Berechnung der Steighöhe der Wassersäule
Der Moment, in dem das Aufsteigen von Wasser in einem engen Rohr gestoppt wird, tritt auf, wenn die Schwerkraft Р das Gewicht der Substanz die Kraft der Oberflächenspannung F ausgleicht. Dieser Moment bestimmt die Höhe des Aufstiegs der Flüssigkeit. Kapillarphänomene werden durch zwei multidirektionale Kräfte verursacht:
- die Schwerkraft P Strang lässt die Flüssigkeit nach unten sinken;
- Die Oberflächenspannung F treibt das Wasser nach oben.
Die Oberflächenspannungskraft, die entlang des Kreises wirkt, in dem die Flüssigkeit mit den Rohrwänden in Kontakt kommt, ist gleich:
wobei r der Radius der Röhre ist.
Die auf die Flüssigkeit im Rohr wirkende Schwerkraft beträgt:
P-Strang = ρπr2hg,
wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit ist; h ist die Höhe der Flüssigkeitssäule im Rohr;
Die Substanz wird also aufhören zu steigen, vorausgesetzt, dass P schwer = F ist, was bedeutet
ρπr 2 hg = σ2πr,
daher beträgt die Höhe der Flüssigkeit im Rohr:
Ähnliches gilt für eine nicht benetzende Flüssigkeit:
h ist die Fallhöhe der Substanz im Röhrchen. Wie aus den Formeln hervorgeht, ist die Höhe, bis zu der Wasser in einem engen Gefäß steigt (sinkt), umgekehrt proportional zum Radius des Gefäßes und der Dichte der Flüssigkeit. Dies gilt für die benetzende und nicht benetzende Flüssigkeit. Unter anderen Voraussetzungen muss eine Korrektur der Meniskusform vorgenommen werden, die im nächsten Kapitel vorgestellt wird.
Laplace-Druck
Wie bereits erwähnt, verhält sich die Flüssigkeit in engen Röhren so, dass man den Eindruck hat, das Gesetz kommunizierender Gefäße zu verletzen. Diese Tatsache begleitet kapillare Phänomene immer. Die Physik erklärt dies mit Hilfe des Laplace-Drucks, der bei einer benetzenden Flüssigkeit nach oben gerichtet wird. Indem wir ein sehr schmales Rohr ins Wasser eintauchen, beobachten wir, wie die Flüssigkeit bis zu einem bestimmten Niveau h angesaugt wird. Nach dem Gesetz der kommunizierenden Gefäße musste es mit dem äußeren Wasserspiegel im Gleichgewicht bleiben.
Diese Diskrepanz wird durch die Richtung des Laplace-Drucks p l erklärt:
In diesem Fall ist es nach oben gerichtet. Das Wasser wird bis zu einem Niveau in das Rohr gesaugt, wo es sich mit dem hydrostatischen Druck p g der Wassersäule ausgleicht:
und wenn p l \u003d p g, dann können Sie die beiden Teile der Gleichung gleichsetzen:
Nun lässt sich die Höhe h leicht als Formel herleiten:
Wenn die Benetzung abgeschlossen ist, hat der Meniskus, der die konkave Oberfläche des Wassers bildet, die Form einer Halbkugel, wobei Ɵ=0 ist. In diesem Fall ist der Radius der Kugel R gleich dem Innenradius der Kapillare r. Von hier aus erhalten wir:
Und im Falle einer unvollständigen Benetzung, wenn Ɵ≠0, kann der Radius der Kugel nach folgender Formel berechnet werden:
Dann ist die erforderliche Höhe mit Korrektur des Winkels gleich:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
Aus den dargestellten Gleichungen ist ersichtlich, dass die Höhe h umgekehrt proportional zum Innenradius des Rohrs r ist. Seine größte Höhe erreicht Wasser in Gefäßen mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares, den sogenannten Kapillaren. Wie Sie wissen, wird die benetzende Flüssigkeit nach oben gezogen und die nicht benetzende Flüssigkeit nach unten gedrückt.
Ein Experiment kann durchgeführt werden, indem man kommunizierende Gefäße nimmt, von denen eines breit und das andere sehr schmal ist. Wenn man Wasser hineingießt, kann man einen anderen Flüssigkeitsstand feststellen, und bei der Variante mit einer benetzenden Substanz ist der Füllstand in einem schmalen Röhrchen höher und bei einer nicht benetzenden Substanz niedriger.
Bedeutung von Kapillarphänomenen
Ohne Kapillarphänomene ist die Existenz lebender Organismen einfach unmöglich. Über die kleinsten Gefäße erhält der menschliche Körper Sauerstoff und Nährstoffe. Pflanzenwurzeln sind ein Netzwerk aus Kapillaren, die Feuchtigkeit vom Boden zu den obersten Blättern transportieren.
Eine einfache Haushaltsreinigung ist ohne Kapillarphänomene nicht möglich, denn nach diesem Prinzip nimmt der Stoff Wasser auf. Das Handtuch, die Tinte, der Docht in der Öllampe und viele Geräte funktionieren auf dieser Grundlage. Kapillarphänomene spielen in der Technik eine wichtige Rolle bei der Trocknung poröser Körper und anderen Prozessen.
Manchmal führen dieselben Phänomene zu unerwünschten Folgen, beispielsweise nehmen die Poren eines Ziegels Feuchtigkeit auf. Um Feuchtigkeit von Gebäuden unter dem Einfluss von Grundwasser zu vermeiden, ist es notwendig, das Fundament mit Hilfe von Abdichtungsmaterialien – Bitumen, Dachpappe oder Dachpappe – zu schützen.
Auch das Durchnässen von Kleidung bei Regen, zum Beispiel kniehohe Hosen beim Laufen durch Pfützen, ist auf Kapillarphänomene zurückzuführen. Es gibt viele Beispiele für dieses Naturphänomen um uns herum.
Experimentieren Sie mit Farben
Beispiele für Kapillarphänomene finden sich in der Natur, insbesondere bei Pflanzen. In ihren Stämmen befinden sich viele kleine Gefäße. Sie können damit experimentieren, eine Blume aufgrund von Kapillarphänomenen in jeder leuchtenden Farbe zu färben.
Sie müssen buntes Wasser und eine weiße Blume (oder ein Blatt Chinakohl, eine Stange Sellerie) nehmen und mit dieser Flüssigkeit in ein Glas geben. Nach einiger Zeit kann man auf den Blättern des Pekingkohls beobachten, wie sich die Farbe nach oben bewegt. Die Farbe der Pflanze ändert sich allmählich je nach der Farbe, in die sie gelegt wird. Dies ist auf die Bewegung der Substanz entlang der Stängel gemäß den Gesetzen zurückzuführen, die wir in diesem Artikel betrachtet haben.
Ändern Sie den Füllstand in Röhren, schmalen Kanälen beliebiger Form und porösen Körpern. Das Aufsteigen der Flüssigkeit erfolgt, wenn die Kanäle mit Flüssigkeiten benetzt werden, beispielsweise Wasser in Glasröhren, Sand, Erde usw. Die Flüssigkeitsabnahme erfolgt in Rohren und Kanälen, die nicht mit Flüssigkeit benetzt werden, beispielsweise Quecksilber in a Glasrohr.
Die lebenswichtige Aktivität von Tieren und Pflanzen, chemische Technologien und alltägliche Phänomene basieren auf der Kapillarität (z. B. das Heben von Kerosin am Docht einer Petroleumlampe entlang, das Abwischen der Hände mit einem Handtuch). Die Bodenkapillarität wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der Wasser im Boden aufsteigt, und hängt von der Größe der Lücken zwischen den Bodenpartikeln ab.
Dünne Röhren werden Kapillaren genannt, ebenso wie die dünnsten Gefäße im menschlichen Körper und anderen Tieren (siehe Kapillare (Biologie)).
siehe auch
Literatur
- Prokhorenko P. P. Ultraschallkapillareffekt / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunov, G. E. Konovalov; Ed. V. V. Klubovich. 135 S. Minsk: Wissenschaft und Technologie, 1981.
Links
- Gorin Yu. V. Index physikalischer Effekte und Phänomene zur Lösung erfinderischer Probleme (TRIZ-Tool) // Kapitel. 1.2 Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Kapillarität.
Wikimedia-Stiftung. 2010 .
Sehen Sie, was „Kapillare (Physik)“ in anderen Wörterbüchern ist:
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