Τριχοειδή φαινόμενα, επιφανειακά φαινόμενα στη διεπιφάνεια ενός υγρού με άλλο μέσο που σχετίζεται με την καμπυλότητα της επιφάνειάς του. Η καμπυλότητα της υγρής επιφάνειας στο όριο με την αέρια φάση εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της δράσης της επιφανειακής τάσης του υγρού, η οποία τείνει να συντομεύσει τη διεπιφάνεια και να δώσει στον περιορισμένο όγκο υγρού ένα σφαιρικό σχήμα. Δεδομένου ότι η μπάλα έχει μια ελάχιστη επιφάνεια για έναν δεδομένο όγκο, αυτό το σχήμα αντιστοιχεί στην ελάχιστη επιφανειακή ενέργεια του υγρού, δηλ. σταθερή κατάσταση ισορροπίας του. Στην περίπτωση επαρκώς μεγάλων μαζών υγρού, η επίδραση της επιφανειακής τάσης αντισταθμίζεται από τη βαρύτητα, έτσι ένα υγρό χαμηλού ιξώδους παίρνει γρήγορα το σχήμα του δοχείου στο οποίο χύνεται και είναι ελεύθερο. η επιφάνεια φαίνεται σχεδόν επίπεδη.
Σε περίπτωση απουσίας βαρύτητας ή σε περίπτωση πολύ μικρών μαζών, το υγρό παίρνει πάντα σφαιρικό σχήμα (σταγόνα), η καμπυλότητα της επιφάνειας του οποίου καθορίζεται από τον πληθυντικό. ιδιότητες της ύλης. Επομένως, τα τριχοειδή φαινόμενα εκφράζονται ξεκάθαρα και παίζουν σημαντικό ρόλο σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, κατά τη σύνθλιψη υγρού σε αέριο περιβάλλον (ή ψεκασμό αερίου σε υγρό) και το σχηματισμό συστημάτων που αποτελούνται από πολλές σταγόνες ή φυσαλίδες (γαλακτώματα, αερολύματα , αφρούς), κατά την εμφάνιση μιας νέας φάσης υγρών σταγονιδίων κατά τη συμπύκνωση ατμών, φυσαλίδες ατμού κατά το βρασμό, πυρήνες κρυστάλλωσης. Όταν ένα υγρό έρχεται σε επαφή με συμπυκνωμένα σώματα (άλλο υγρό ή στερεό), η καμπυλότητα της διεπιφάνειας εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της διεπιφανειακής τάσης.
Στην περίπτωση διαβροχής, για παράδειγμα, όταν ένα υγρό έρχεται σε επαφή με το στερεό τοίχωμα ενός δοχείου, οι ελκτικές δυνάμεις που δρουν μεταξύ των μορίων του στερεού και του υγρού το αναγκάζουν να ανυψωθεί κατά μήκος του τοιχώματος του δοχείου, ως αποτέλεσμα εκ των οποίων το τμήμα της επιφάνειας του υγρού που γειτνιάζει με τον τοίχο παίρνει κοίλο σχήμα. Σε στενά κανάλια, για παράδειγμα, κυλινδρικά τριχοειδή, σχηματίζεται ένας κοίλος μηνίσκος - μια εντελώς καμπύλη επιφάνεια του υγρού (Εικ. 1).
Ρύζι. 1. Τριχοειδής άνοδος σε ύψος ηυγρό που διαβρέχει τα τοιχώματα ενός τριχοειδούς ακτίνας r; q είναι η γωνία επαφής.
Τριχοειδής πίεση.
Δεδομένου ότι οι δυνάμεις της επιφανειακής (διεπιφανειακής) τάσης κατευθύνονται εφαπτομενικά στην επιφάνεια του υγρού, η καμπυλότητα του τελευταίου οδηγεί στην εμφάνιση ενός συστατικού που κατευθύνεται στον όγκο του υγρού. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει τριχοειδής πίεση, η τιμή της οποίας Dp σχετίζεται με τη μέση ακτίνα καμπυλότητας της επιφάνειας r 0 με την εξίσωση Laplace:
Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)
όπου p 1 και p 2 - πίεση σε υγρό 1 και γειτονική φάση 2 (αέριο ή υγρό), s 12 - επιφανειακή (διεπιφανειακή) τάση.
Εάν η επιφάνεια του υγρού είναι κοίλη (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) το πρόσημο του Dp αντιστρέφεται. Η αρνητική τριχοειδική πίεση που εμφανίζεται όταν τα τριχοειδή τοιχώματα διαβρέχονται από υγρό οδηγεί στο γεγονός ότι το υγρό θα αναρροφηθεί στο τριχοειδές έως ότου το βάρος της στήλης υγρού είναι υψηλό ηδεν θα εξισορροπήσει τη διαφορά πίεσης Dp. Σε κατάσταση ισορροπίας, το ύψος της τριχοειδούς ανόδου προσδιορίζεται από τον τύπο Jurin:
όπου r 1 και r 2 είναι οι πυκνότητες του υγρού 1 και του μέσου 2, g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας, r είναι η ακτίνα του τριχοειδούς, q είναι η γωνία επαφής. Για υγρά που δεν βρέχουν τα τριχοειδή τοιχώματα, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
Από την έκφραση (2) ακολουθεί ο ορισμός της τριχοειδούς σταθεράς του υγρού ΕΝΑ= 1/2. Έχει τη διάσταση του μήκους και χαρακτηρίζει τη γραμμική διάσταση Ζ[ΕΝΑ,στο οποίο τα τριχοειδή φαινόμενα γίνονται σημαντικά.Έτσι, για το νερό στους 20°C α = 0,38 εκ. Σε ασθενή βαρύτητα (g: 0) τιμή ΕΝΑαυξάνει. Στην περιοχή επαφής με σωματίδια, η τριχοειδική συμπύκνωση οδηγεί στη συστολή των σωματιδίων υπό τη δράση μειωμένης πίεσης Dp< 0.
Η εξίσωση του Κέλβιν.
Η καμπυλότητα της επιφάνειας του υγρού οδηγεί σε αλλαγή της πίεσης ατμών ισορροπίας πάνω από αυτήν Rσε σύγκριση με την πίεση κορεσμένου ατμού ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟπάνω από μια επίπεδη επιφάνεια στην ίδια θερμοκρασία Τ.Αυτές οι αλλαγές περιγράφονται από την εξίσωση Kelvin:
όπου είναι ο μοριακός όγκος του υγρού, R είναι η σταθερά του αερίου. Η μείωση ή η αύξηση της τάσης ατμών εξαρτάται από το πρόσημο της καμπυλότητας της επιφάνειας: πάνω από κυρτές επιφάνειες (r 0 > 0) p>ps;πάνω από κοίλο (r 0< 0) R< р s . . Έτσι, πάνω από τα σταγονίδια η τάση ατμών αυξάνεται. σε φυσαλίδες, αντίθετα, μειώνεται.
Με βάση την εξίσωση Kelvin, η πλήρωση τριχοειδών ή πορωδών σωμάτων υπολογίζεται στο τριχοειδική συμπύκνωση.Αφού οι αξίες Rείναι διαφορετικά για σωματίδια διαφορετικών μεγεθών ή για περιοχές της επιφάνειας που έχουν κοιλότητες και προεξοχές, η εξίσωση (3) καθορίζει επίσης την κατεύθυνση μεταφοράς της ύλης κατά τη μετάβαση του συστήματος σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτό οδηγεί, ειδικότερα, στο γεγονός ότι αυξάνονται σχετικά μεγάλες σταγόνες ή σωματίδια λόγω της εξάτμισης (διάλυσης) μικρότερων και οι επιφανειακές ανωμαλίες μη κρυσταλλικών σωμάτων εξομαλύνονται λόγω της διάλυσης των προεξοχών και της επούλωσης των κοιλοτήτων. Αξιοσημείωτες διαφορές στην τάση ατμών και τη διαλυτότητα εμφανίζονται μόνο σε αρκετά μικρά r 0 (για το νερό, για παράδειγμα, σε r 0. Επομένως, η εξίσωση Kelvin χρησιμοποιείται συχνά για να χαρακτηρίσει την κατάσταση των κολλοειδών συστημάτων και των πορωδών σωμάτων και τις διεργασίες σε αυτά.
Ρύζι. 2. Μετακίνηση υγρού σε ένα μήκος μεγάλοσε τριχοειδές ακτίνας r? q - γωνία επαφής.
Εμποτισμός τριχοειδών.
Η μείωση της πίεσης κάτω από κοίλους μηνίσκους είναι ένας από τους λόγους για την τριχοειδή κίνηση του υγρού προς τους μηνίσκους με μικρότερη ακτίνα καμπυλότητας. Μια ειδική περίπτωση αυτού είναι ο εμποτισμός πορωδών σωμάτων - η αυθόρμητη απορρόφηση υγρών σε λυόφιλους πόρους και τριχοειδή αγγεία (Εικ. 2). Ταχύτητα vη κίνηση του μηνίσκου σε ένα οριζόντια τοποθετημένο τριχοειδές (ή σε ένα πολύ λεπτό κατακόρυφο τριχοειδές, όταν η επίδραση της βαρύτητας είναι μικρή) καθορίζεται από την εξίσωση Poiseuille:
Οπου μεγάλο- μήκος του τμήματος του απορροφούμενου υγρού, h - το ιξώδες του, Dp - πτώση πίεσης στο τμήμα μεγάλο, ίση με την τριχοειδική πίεση του μηνίσκου: Dp = - 2s 12 cos q/r. Εάν η γωνία επαφής q δεν εξαρτάται από την ταχύτητα v,μπορείτε να υπολογίσετε την ποσότητα του υγρού που απορροφάται με την πάροδο του χρόνου tαπό την αναλογία:
μεγάλο(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Αν το q είναι συνάρτηση v, Οτι μεγάλοΚαι vσυνδέονται με πιο σύνθετες εξαρτήσεις.
Οι εξισώσεις (4) και (5) χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του ρυθμού εμποτισμού κατά την επεξεργασία του ξύλου με αντισηπτικά, τη βαφή υφασμάτων, την εφαρμογή καταλυτών σε πορώδη μέσα, την έκπλυση και την εξαγωγή με διάχυση πολύτιμων πετρωμάτων κ.λπ. Για να επιταχυνθεί ο εμποτισμός, τα επιφανειοδραστικά είναι συχνά χρησιμοποιούνται που βελτιώνουν τη διαβροχή μειώνοντας τη γωνία επαφής q. Μία από τις επιλογές για τριχοειδή εμποτισμό είναι η μετατόπιση ενός υγρού από ένα πορώδες μέσο από ένα άλλο, το οποίο δεν αναμιγνύεται με το πρώτο και διαβρέχει καλύτερα την επιφάνεια των πόρων. Αυτή είναι η βάση, για παράδειγμα, των μεθόδων εξαγωγής υπολειμματικού ελαίου από δεξαμενές με υδατικά διαλύματα επιφανειοδραστικών ουσιών και μεθόδων πορομετρίας υδραργύρου. Η τριχοειδής απορρόφηση στους πόρους των διαλυμάτων και η μετατόπιση μη αναμίξιμων υγρών από τους πόρους, συνοδευόμενη από προσρόφηση και διάχυση συστατικών, θεωρούνται από τη φυσικοχημική υδροδυναμική.
Εκτός από τις περιγραφόμενες καταστάσεις ισορροπίας ενός υγρού και την κίνηση του στους πόρους και τα τριχοειδή αγγεία, τα τριχοειδή φαινόμενα περιλαμβάνουν επίσης καταστάσεις ισορροπίας πολύ μικρών όγκων υγρού, ιδιαίτερα λεπτών στρωμάτων και μεμβρανών. Αυτά τα τριχοειδή φαινόμενα ονομάζονται συχνά τριχοειδή φαινόμενα τύπου II. Χαρακτηρίζονται, για παράδειγμα, από την εξάρτηση της επιφανειακής τάσης του υγρού από την ακτίνα των σταγονιδίων και τη γραμμική τάση. Τα τριχοειδή φαινόμενα μελετήθηκαν για πρώτη φορά από τους Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (17ος αιώνας) και J. Jurin (18ος αιώνας) σε πειράματα με τριχοειδείς σωλήνες. Η θεωρία των τριχοειδών φαινομένων αναπτύχθηκε στα έργα των P. Laplace (1806), T. Young (1804), A. Yu. Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886). Η ανάπτυξη της θεωρίας των τριχοειδών φαινομένων του δεύτερου είδους ξεκίνησε με τα έργα των B.V. Deryagin και L.M. Shcherbakov.
Κατά τη διαβροχή, εμφανίζεται καμπυλότητα επιφάνειας, αλλάζοντας τις ιδιότητες του επιφανειακού στρώματος. Η ύπαρξη περίσσειας ελεύθερης ενέργειας σε μια καμπύλη επιφάνεια οδηγεί στα λεγόμενα τριχοειδή φαινόμενα - πολύ μοναδικά και σημαντικά.
Ας πραγματοποιήσουμε πρώτα μια ποιοτική εξέταση χρησιμοποιώντας το παράδειγμα μιας σαπουνόφουσκας. Αν ανοίξουμε το άκρο του σωλήνα κατά τη διαδικασία φυσήματος μιας φυσαλίδας, θα δούμε ότι η φυσαλίδα που βρίσκεται στο άκρο της θα μειωθεί σε μέγεθος και θα τραβηχτεί μέσα στο σωλήνα. Δεδομένου ότι ο αέρας από το ανοιχτό άκρο επικοινωνούσε με την ατμόσφαιρα, για να διατηρηθεί η κατάσταση ισορροπίας της σαπουνόφουσκας, ήταν απαραίτητο η πίεση στο εσωτερικό να είναι μεγαλύτερη από την εξωτερική. Εάν συνδέσετε τον σωλήνα σε ένα μονόμετρο, τότε καταγράφεται μια ορισμένη διαφορά επιπέδου - υπερβολική πίεση DP στην ογκομετρική φάση του αερίου στην κοίλη πλευρά της επιφάνειας της φυσαλίδας.
Ας δημιουργήσουμε μια ποσοτική σχέση μεταξύ του DP και της ακτίνας καμπυλότητας της επιφάνειας 1/r μεταξύ δύο ογκομετρικών φάσεων που βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας και χωρίζονται από μια σφαιρική επιφάνεια. (για παράδειγμα, μια φυσαλίδα αερίου σε ένα υγρό ή μια σταγόνα υγρού στη φάση ατμού). Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούμε τη γενική θερμοδυναμική έκφραση για την ελεύθερη ενέργεια υπό την προϋπόθεση T = const και την απουσία μεταφοράς ύλης από τη μια φάση στην άλλη dn i = 0. Σε κατάσταση ισορροπίας, διακυμάνσεις στην επιφάνεια ds και όγκο dV είναι δυνατά. Έστω V αυξηθεί κατά dV και s κατά ds. Επειτα:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
Σε κατάσταση ισορροπίας, dF = 0. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι dV 1 = dV 2, βρίσκουμε:
P 1 - P 2 = s ds/dV.
Άρα P 1 > P 2 . Λαμβάνοντας υπόψη ότι V 1 = 4/3 p r 3, όπου r είναι η ακτίνα καμπυλότητας, λαμβάνουμε:
Η αντικατάσταση δίνει την εξίσωση του Laplace:
P 1 - P 2 = 2s/r. (1)
Σε μια γενικότερη περίπτωση, για ένα ελλειψοειδές περιστροφής με κύριες ακτίνες καμπυλότητας r 1 και r 2, διατυπώνεται ο νόμος του Laplace:
P 1 - P 2 = s / (1 / R 1 - 1 / R 2).
Για r 1 = r 2 λαμβάνουμε (1), για r 1 = r 2 = ¥ (επίπεδο) P 1 = P 2 .
Η διαφορά DP ονομάζεται τριχοειδής πίεση. Ας εξετάσουμε τη φυσική σημασία και τις συνέπειες του νόμου του Laplace, που είναι η βάση των θεωριών των τριχοειδών φαινομένων Η εξίσωση δείχνει ότι η διαφορά πίεσης στις φάσεις όγκου αυξάνεται με την αύξηση του s και με τη μείωση της ακτίνας καμπυλότητας. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η διασπορά, τόσο μεγαλύτερη είναι η εσωτερική πίεση ενός υγρού με σφαιρική επιφάνεια. Για παράδειγμα, για μια σταγόνα νερού στη φάση ατμού σε r = 10 -5 cm, DP = 2. 73. 10 5 dynes/cm 2 » 15 at. Έτσι, η πίεση στο εσωτερικό της σταγόνας σε σύγκριση με τον ατμό είναι 15 atm υψηλότερη από ό,τι στη φάση ατμού. Πρέπει να θυμόμαστε ότι, ανεξάρτητα από την κατάσταση συνάθροισης των φάσεων, σε κατάσταση ισορροπίας, η πίεση στην κοίλη πλευρά της επιφάνειας είναι πάντα μεγαλύτερη από την κυρτή πλευρά.Το ουράνιο παρέχει τη βάση για την πειραματική μέτρηση του s χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μέγιστης πίεσης φυσαλίδων. Μία από τις σημαντικότερες συνέπειες της ύπαρξης τριχοειδούς πίεσης είναι η άνοδος του υγρού στο τριχοειδές.
Τριχοειδή φαινόμενα παρατηρούνται σε υγρό που περιέχει
Σε στενά αγγεία στα οποία η απόσταση μεταξύ των τοιχωμάτων είναι ανάλογη με την ακτίνα καμπυλότητας της υγρής επιφάνειας. Η καμπυλότητα εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του υγρού με τα τοιχώματα του αγγείου. Η συγκεκριμένη συμπεριφορά ενός υγρού στα τριχοειδή αγγεία εξαρτάται από το αν το υγρό βρέχει ή όχι τα τοιχώματα του αγγείου, πιο συγκεκριμένα από την τιμή της γωνίας επαφής.
Ας εξετάσουμε τη θέση των επιπέδων του υγρού σε δύο τριχοειδή αγγεία, εκ των οποίων το ένα έχει λυόφιλη επιφάνεια και επομένως τα τοιχώματά του είναι βρεγμένα και το άλλο έχει λυοφοβική επιφάνεια και δεν είναι βρεγμένο. Στο πρώτο τριχοειδές η επιφάνεια έχει αρνητική καμπυλότητα. Η πρόσθετη πίεση Laplace τείνει να τεντώνει το υγρό. (η πίεση κατευθύνεται προς το κέντρο της καμπυλότητας). Η πίεση κάτω από την επιφάνεια είναι χαμηλότερη από την πίεση στην επίπεδη επιφάνεια. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει μια δύναμη άνωσης, ανυψώνοντας το υγρό στο τριχοειδές έως ότου το βάρος της στήλης εξισορροπήσει τη δύναμη δράσης.Στο δεύτερο τριχοειδές, η καμπυλότητα της επιφάνειας είναι θετική, η πρόσθετη πίεση κατευθύνεται στο υγρό, ως αποτέλεσμα , το υγρό στο τριχοειδές κατεβαίνει.
Σε κατάσταση ισορροπίας, η πίεση Laplace είναι ίση με την υδροστατική πίεση μιας υγρής στήλης ύψους h:
DP = ± 2s/r = (r - r o) gh, όπου r, r o είναι οι πυκνότητες της υγρής και αέριας φάσης, g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας, r η ακτίνα του μηνίσκου.
Προκειμένου να συσχετιστεί το ύψος της τριχοειδούς ανόδου με το χαρακτηριστικό διαβροχής, η ακτίνα του μηνίσκου θα εκφραστεί ως προς τη γωνία διαβροχής Q και την τριχοειδική ακτίνα r 0. Είναι σαφές ότι r 0 = r cosQ, το ύψος του η τριχοειδική άνοδος θα εκφραστεί με τη μορφή (τύπος Jurin):
h = 2sсosQ / r 0 (r - r 0)g
Ελλείψει διαβροχής 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.
Η τριχοειδής άνοδος των υγρών εξηγεί μια σειρά από γνωστά φαινόμενα και διαδικασίες: ο εμποτισμός του χαρτιού και των υφασμάτων προκαλείται από την τριχοειδή άνοδο του υγρού στους πόρους. Η αδιαβροχοποίηση των υφασμάτων εξασφαλίζεται από την υδροφοβικότητα τους - συνέπεια αρνητικής τριχοειδούς ανόδου. Η άνοδος του νερού από το έδαφος συμβαίνει λόγω της δομής του εδάφους και εξασφαλίζει την ύπαρξη της γήινης βλάστησης, η άνοδος του νερού από το έδαφος κατά μήκος των κορμών των φυτών συμβαίνει λόγω της ινώδους δομής του ξύλου, της διαδικασίας της κυκλοφορίας του αίματος στα αιμοφόρα αγγεία, η άνοδος της υγρασίας στους τοίχους του κτιρίου (στρώνεται στεγανοποίηση) κ.λπ.
Θερμοδυναμική αντιδραστικότητα (t.r.s.).
Χαρακτηρίζει την ικανότητα μιας ουσίας να μετατραπεί σε κάποια άλλη κατάσταση, για παράδειγμα σε άλλη φάση, ή να εισέλθει σε μια χημική αντίδραση. Δείχνει την απόσταση ενός δεδομένου συστήματος από την κατάσταση ισορροπίας υπό δεδομένες συνθήκες. T.r.s. καθορίζεται από τη χημική συγγένεια, η οποία μπορεί να εκφραστεί με μια αλλαγή στην ενέργεια Gibbs ή μια διαφορά στα χημικά δυναμικά.
Το R.s εξαρτάται από το βαθμό διασποράς της ουσίας. Μια αλλαγή στον βαθμό διασποράς μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή φάσης ή χημικής ισορροπίας.
Η αντίστοιχη αύξηση της ενέργειας Gibbs dG d (λόγω μιας αλλαγής στη διασπορά) μπορεί να αναπαρασταθεί ως συνδυασμένη εξίσωση του πρώτου και του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής: dG d = -S dT + V dp
Για μια μεμονωμένη ουσία V =V mol και σε T = const έχουμε: dG d = V mol dp ή DG d = V mol Dp
Αντικαθιστώντας τη σχέση Laplace σε αυτή την εξίσωση, λαμβάνουμε dG d = s V mol ds/dV
για σφαιρική καμπυλότητα: dG d =±2 s V mol /r (3)
Οι εξισώσεις δείχνουν ότι η αύξηση της αντιδραστικότητας λόγω αλλαγής στη διασπορά είναι ανάλογη με την καμπυλότητα της επιφάνειας ή τη διασπορά.
Εάν ληφθεί υπόψη η μετάβαση μιας ουσίας από τη συμπυκνωμένη φάση στην αέρια φάση, τότε η ενέργεια Gibbs μπορεί να εκφραστεί σε όρους τάσης ατμών, θεωρώντας την ιδανική. Τότε η πρόσθετη αλλαγή στην ενέργεια Gibbs που σχετίζεται με την αλλαγή στη διασπορά είναι:
dG d = RT ln (p d / p s) (4), όπου p d και p s είναι η πίεση κορεσμένων ατμών σε καμπύλες και επίπεδες επιφάνειες.
Αντικαθιστώντας το (4) στο (3) λαμβάνουμε: ln (p d / p s) = ±2 s V mol / RT r
Η σχέση ονομάζεται εξίσωση Kelvin-Thomson. Από αυτή την εξίσωση προκύπτει ότι με θετική καμπυλότητα, η πίεση κορεσμένων ατμών σε μια καμπύλη επιφάνεια θα είναι μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η καμπυλότητα, δηλ. μικρότερη ακτίνα πτώσης. Για παράδειγμα, για μια σταγόνα νερού με ακτίνα r = 10 -5 cm (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, δηλαδή 1%. Αυτή η συνέπεια του νόμου Kelvin-Thomson μας επιτρέπει να προβλέψουμε το φαινόμενο της ισότρεμης απόσταξης, που συνίσταται στην εξάτμιση των μικρότερων σταγόνων και τη συμπύκνωση ατμού σε μεγαλύτερες σταγόνες και σε επίπεδη επιφάνεια.
Με την αρνητική καμπυλότητα, η οποία εμφανίζεται στα τριχοειδή κατά τη διαβροχή, προκύπτει μια αντίστροφη σχέση: η πίεση κορεσμένων ατμών πάνω από την καμπύλη επιφάνεια (πάνω από την πτώση) μειώνεται με την αύξηση της καμπυλότητας (με τη μείωση της τριχοειδούς ακτίνας). Έτσι, εάν ένα υγρό βρέξει ένα τριχοειδές, τότε η συμπύκνωση των ατμών στο τριχοειδές συμβαίνει σε χαμηλότερη πίεση από ότι σε μια επίπεδη επιφάνεια. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι εξισώσεις του Kelvin ονομάζονται συχνά εξίσωση τριχοειδούς συμπύκνωσης.
Ας εξετάσουμε την επίδραση της διασποράς των σωματιδίων στη διαλυτότητά τους. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η μεταβολή της ενέργειας Gibbs εκφράζεται μέσω της διαλυτότητας μιας ουσίας σε διαφορετικές διασκορπισμένες καταστάσεις παρόμοιες με τη σχέση (4), λαμβάνουμε για τους μη ηλεκτρολύτες:
ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r όπου c d και c a είναι η διαλυτότητα της ουσίας σε κατάσταση υψηλής διασποράς και η διαλυτότητα σε ισορροπία με μεγάλα σωματίδια αυτής της ουσίας
Για έναν ηλεκτρολύτη που διασπάται σε n ιόντα στο διάλυμα, μπορούμε να γράψουμε (αγνοώντας τους συντελεστές δραστηριότητας):
ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol /RT r, όπου a d και a s είναι οι δραστηριότητες του ηλεκτρολύτη σε διαλύματα κορεσμένα σε σχέση με την κατάσταση υψηλής διασποράς και χονδρικής διασποράς. Οι εξισώσεις δείχνουν ότι με την αύξηση της διασποράς, η διαλυτότητα αυξάνεται ή το χημικό δυναμικό των σωματιδίων ενός διασκορπισμένου συστήματος είναι μεγαλύτερο από αυτό ενός μεγάλου σωματιδίου κατά 2 s V mol/r. Ταυτόχρονα, η διαλυτότητα εξαρτάται από το πρόσημο της καμπυλότητας της επιφάνειας, που σημαίνει ότι εάν τα σωματίδια ενός στερεού έχουν ακανόνιστο σχήμα με θετική και αρνητική καμπυλότητα και βρίσκονται σε κορεσμένο διάλυμα, τότε οι περιοχές με θετική καμπυλότητα θα διαλυθούν και οι περιοχές με αρνητική καμπυλότητα θα αυξηθεί. Ως αποτέλεσμα, τα σωματίδια της διαλυτής ουσίας αποκτούν με την πάροδο του χρόνου ένα εντελώς καθορισμένο σχήμα που αντιστοιχεί στην κατάσταση ισορροπίας.
Ο βαθμός διασποράς μπορεί επίσης να επηρεάσει την ισορροπία μιας χημικής αντίδρασης: - DG 0 d = RT ln (K d / K), όπου DG 0 d είναι η αύξηση της χημικής συγγένειας λόγω διασποράς, K d και K είναι οι σταθερές ισορροπίας των αντιδράσεων που περιλαμβάνουν διασπαρμένες και μη διασπαρμένες ουσίες .
Με την αύξηση της διασποράς, η δραστηριότητα των συστατικών αυξάνεται και σύμφωνα με αυτό, η σταθερά της χημικής ισορροπίας αλλάζει προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση, ανάλογα με τον βαθμό διασποράς των αρχικών ουσιών και των προϊόντων αντίδρασης. Για παράδειγμα, για την αντίδραση αποσύνθεσης ανθρακικού ασβεστίου: CaCO 3 « CaO + CO 2
Μια αύξηση στη διασπορά του αρχικού ανθρακικού ασβεστίου μετατοπίζει την ισορροπία προς τα δεξιά και η πίεση του διοξειδίου του άνθρακα πάνω από το σύστημα αυξάνεται. Η αύξηση της διασποράς του οξειδίου του ασβεστίου οδηγεί στο αντίθετο αποτέλεσμα.
Για τον ίδιο λόγο, με την αύξηση της διασποράς, η σύνδεση μεταξύ του νερού της κρυστάλλωσης και της ουσίας εξασθενεί. Άρα ένας μακροκρύσταλλος Al 2 O 3. Το 3 H 2 O δίνει νερό στους 473 K, ενώ σε ένα ίζημα σωματιδίων κολλοειδούς μεγέθους, ο κρυσταλλικός ένυδρος άλας αποσυντίθεται στους 373 K. Ο χρυσός δεν αλληλεπιδρά με το υδροχλωρικό οξύ και ο κολλοειδής χρυσός διαλύεται σε αυτό. Το αδρά διασπαρμένο θείο δεν αντιδρά αισθητά με τα άλατα αργύρου και το κολλοειδές θείο σχηματίζει θειούχο άργυρο.
Προσοχή! Η διαχείριση του ιστότοπου δεν είναι υπεύθυνη για το περιεχόμενο των μεθοδολογικών εξελίξεων, καθώς και για τη συμμόρφωση της ανάπτυξης με το ομοσπονδιακό κρατικό εκπαιδευτικό πρότυπο.
- Συμμετέχων: Nikolaev Vladimir Sergeevich
- Επικεφαλής: Suleymanova Alfiya Sayfullovna
Εισαγωγή
Στην εποχή της υψηλής τεχνολογίας μας, οι φυσικές επιστήμες γίνονται όλο και πιο σημαντικές στη ζωή των ανθρώπων. Οι άνθρωποι του 21ου αιώνα παράγουν υπερ-αποδοτικούς υπολογιστές, smartphone και μελετούν τον κόσμο γύρω μας όλο και πιο βαθιά. Νομίζω ότι οι άνθρωποι προετοιμάζονται για μια νέα επιστημονική και τεχνολογική επανάσταση που θα αλλάξει ριζικά το μέλλον μας. Κανείς όμως δεν ξέρει πότε θα συμβούν αυτές οι αλλαγές. Κάθε άνθρωπος μπορεί να φέρει αυτή τη μέρα πιο κοντά με τη δουλειά του.
Αυτή η ερευνητική εργασία είναι η μικρή μου συμβολή στην ανάπτυξη της φυσικής.
Αυτή η ερευνητική εργασία είναι αφιερωμένη στο επί του παρόντος σχετικό θέμα «Τριχοειδή φαινόμενα». Στη ζωή, συχνά έχουμε να κάνουμε με σώματα που διαπερνούν πολλά μικρά κανάλια (χαρτί, νήματα, δέρμα, διάφορα οικοδομικά υλικά, χώμα, ξύλο). Όταν τέτοια σώματα έρχονται σε επαφή με νερό ή άλλα υγρά, συχνά τα απορροφούν. Αυτό το έργο δείχνει τη σημασία των τριχοειδών αγγείων στη ζωή των ζώντων και μη ζωντανών οργανισμών.
Σκοπός της ερευνητικής εργασίας: να τεκμηριωθεί από τη σκοπιά της φυσικής ο λόγος της κίνησης του υγρού μέσω των τριχοειδών αγγείων, να εντοπιστούν τα χαρακτηριστικά των τριχοειδών φαινομένων.
Αντικείμενο μελέτης: η ιδιότητα των υγρών, όταν απορροφώνται, να ανεβαίνουν ή να πέφτουν μέσω των τριχοειδών αγγείων.
Αντικείμενο έρευνας: τριχοειδή φαινόμενα σε ζωντανή και άψυχη φύση.
- Μελετήστε θεωρητικό υλικό για τις ιδιότητες των υγρών.
- Εξοικειωθείτε με το υλικό για τα τριχοειδή φαινόμενα.
- Διεξάγετε μια σειρά πειραμάτων για να μάθετε τον λόγο για την άνοδο του υγρού στα τριχοειδή αγγεία.
- Συνοψίστε το υλικό που μελετήθηκε κατά τη διάρκεια της εργασίας και διατυπώστε ένα συμπέρασμα.
Πριν προχωρήσουμε στη μελέτη των τριχοειδών φαινομένων, είναι απαραίτητο να εξοικειωθούμε με τις ιδιότητες του υγρού, οι οποίες παίζουν σημαντικό ρόλο στα τριχοειδή φαινόμενα.
Επιφανειακή τάση
Ο ίδιος ο όρος «επιφανειακή τάση» υποδηλώνει ότι η ουσία στην επιφάνεια βρίσκεται σε «τάση», δηλαδή σε κατάσταση πίεσης, η οποία εξηγείται από τη δράση μιας δύναμης που ονομάζεται εσωτερική πίεση. Τραβάει μόρια μέσα στο υγρό με κατεύθυνση κάθετη στην επιφάνειά του. Έτσι, τα μόρια που βρίσκονται στα εσωτερικά στρώματα μιας ουσίας βιώνουν, κατά μέσο όρο, ίση έλξη προς όλες τις κατευθύνσεις από τα γύρω μόρια. τα μόρια του επιφανειακού στρώματος υπόκεινται σε άνιση έλξη από τα εσωτερικά στρώματα των ουσιών και από την πλευρά που συνορεύει με το επιφανειακό στρώμα του μέσου. Για παράδειγμα, στη διεπιφάνεια υγρού-αέρα, τα υγρά μόρια που βρίσκονται στο επιφανειακό στρώμα έλκονται πιο έντονα από τα γειτονικά μόρια των εσωτερικών στρωμάτων του υγρού παρά από τα μόρια του αέρα. Αυτός είναι ο λόγος για τη διαφορά μεταξύ των ιδιοτήτων του επιφανειακού στρώματος ενός υγρού και των ιδιοτήτων των εσωτερικών όγκων του.
Η εσωτερική πίεση αναγκάζει τα μόρια που βρίσκονται στην επιφάνεια του υγρού να έλκονται προς τα μέσα και έτσι τείνει να μειώσει την επιφάνεια στο ελάχιστο υπό δεδομένες συνθήκες. Η δύναμη που ενεργεί ανά μονάδα μήκους της διεπιφάνειας, προκαλώντας τη συστολή της επιφάνειας του υγρού, ονομάζεται δύναμη επιφανειακής τάσης ή απλά επιφανειακή τάση σ.
Η επιφανειακή τάση διαφορετικών υγρών δεν είναι η ίδια· εξαρτάται από τον μοριακό τους όγκο, την πολικότητα των μορίων, την ικανότητα των μορίων να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου μεταξύ τους κ.λπ.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η επιφανειακή τάση μειώνεται γραμμικά. Η επιφανειακή τάση ενός υγρού επηρεάζεται επίσης από τις ακαθαρσίες σε αυτό. Οι ουσίες που εξασθενούν την επιφανειακή τάση ονομάζονται τασιενεργά (επιφανειοδραστικά). Σε σχέση με το νερό, τα επιφανειοδραστικά είναι τα προϊόντα πετρελαίου, οι αλκοόλες, ο αιθέρας, το σαπούνι και άλλες υγρές και στερεές ουσίες. Ορισμένες ουσίες αυξάνουν την επιφανειακή τάση. Ακαθαρσίες αλάτων και ζάχαρης, για παράδειγμα.
Την εξήγηση για αυτό δίνει η ΜΚΤ. Εάν οι δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων του ίδιου του υγρού είναι μεγαλύτερες από τις δυνάμεις έλξης μεταξύ των μορίων της επιφανειοδραστικής ουσίας και του υγρού, τότε τα μόρια του υγρού κινούνται προς τα μέσα από την επιφανειακή στιβάδα και τα μόρια της επιφανειοδραστικής ουσίας αναγκάζονται να βγουν η επιφάνεια. Προφανώς, τα μόρια αλατιού και ζάχαρης θα έλκονται στο υγρό και τα μόρια του νερού θα ωθούνται στην επιφάνεια. Έτσι, η επιφανειακή τάση - η βασική έννοια της φυσικής και της χημείας των επιφανειακών φαινομένων - είναι ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά από πρακτική άποψη. Πρέπει να σημειωθεί ότι κάθε σοβαρή επιστημονική έρευνα στον τομέα της φυσικής ετερογενών συστημάτων απαιτεί τη μέτρηση της επιφανειακής τάσης. Η ιστορία των πειραματικών μεθόδων για τον προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης, που χρονολογείται περισσότερο από δύο αιώνες, έχει εξελιχθεί από απλές και ακατέργαστες μεθόδους σε τεχνικές ακριβείας που επιτρέπουν τον προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης με ακρίβεια εκατοστών τοις εκατό. Το ενδιαφέρον για αυτό το πρόβλημα έχει αυξηθεί ιδιαίτερα τις τελευταίες δεκαετίες σε σχέση με την είσοδο του ανθρώπου στο διάστημα και την ανάπτυξη της βιομηχανικής κατασκευής, όπου οι τριχοειδείς δυνάμεις σε διάφορες συσκευές παίζουν συχνά αποφασιστικό ρόλο.
Μια τέτοια μέθοδος για τον προσδιορισμό της επιφανειακής τάσης βασίζεται στην ανύψωση ενός υγρού διαβροχής μεταξύ δύο γυάλινων πλακών. Θα πρέπει να χαμηλωθούν σε ένα δοχείο με νερό και σταδιακά να πλησιάσουν το ένα παράλληλα με το άλλο. Το νερό θα αρχίσει να ανεβαίνει μεταξύ των πλακών - θα τραβηχτεί από τη δύναμη της επιφανειακής τάσης, η οποία αναφέρθηκε παραπάνω. Είναι εύκολο να υπολογιστεί ο συντελεστής επιφανειακής τάσης σ από το ύψος της ανόδου του νερού y και το διάκενο μεταξύ των πλακών ρε.
Δύναμη επιφανειακής τάσης φά= 2σ μεγάλο, Οπου μεγάλο– το μήκος της πλάκας (τα δύο εμφανίστηκαν λόγω του ότι το νερό έρχεται σε επαφή και με τις δύο πλάκες). Αυτή η δύναμη συγκρατεί το στρώμα της μάζας του νερού Μ = ρ Ldu, όπου ρ είναι η πυκνότητα του νερού. Έτσι, 2σ μεγάλο = ρ Ldуg. Από εδώ μπορείτε να βρείτε τον συντελεστή επιφανειακής τάσης σ = 1/2(ρ gdu). (1) Αλλά είναι πιο ενδιαφέρον να το κάνετε αυτό: πιέστε τις πλάκες μεταξύ τους στο ένα άκρο και αφήστε ένα μικρό κενό στο άλλο.
Το νερό θα ανέβει και θα σχηματίσει μια εκπληκτικά κανονική επιφάνεια μεταξύ των πλακών. Ένα τμήμα αυτής της επιφάνειας από ένα κατακόρυφο επίπεδο είναι υπερβολή. Για να το αποδείξουμε, αρκεί να αντικαταστήσουμε στον τύπο (1) αντί για d μια νέα έκφραση για το κενό σε μια δεδομένη θέση. Από την ομοιότητα των αντίστοιχων τριγώνων (βλ. Εικ. 2) ρε = ρε (Χ/μεγάλο). Εδώ ρε– κενό στο τέλος, μεγάλο– εξακολουθεί να είναι το μήκος της πλάκας, και Χ– την απόσταση από το σημείο επαφής των πλακών μέχρι το σημείο όπου προσδιορίζεται το διάκενο και το ύψος της στάθμης. Έτσι, σ = 1/2(ρ gу)ρε(Χ/μεγάλο), ή στο= 2σ L/ρ gD(1/ Χ). (2) Η εξίσωση (2) είναι πράγματι μια εξίσωση υπερβολής.
Διαβρεκτικό και μη βρέξιμο
Για μια λεπτομερή μελέτη των τριχοειδών φαινομένων, είναι απαραίτητο να εξεταστούν ορισμένα μοριακά φαινόμενα που βρίσκονται στο τριφασικό όριο της συνύπαρξης στερεών, υγρών, αέριων φάσεων, ειδικότερα, εξετάζεται η επαφή ενός υγρού με ένα στερεό σώμα. . Εάν οι δυνάμεις προσκόλλησης μεταξύ των μορίων ενός υγρού είναι μεγαλύτερες από ό,τι μεταξύ των μορίων ενός στερεού σώματος, τότε το υγρό τείνει να μειώσει το όριο (εμβαδόν) της επαφής του με το στερεό σώμα, υποχωρώντας από αυτό αν είναι δυνατόν. Μια σταγόνα τέτοιου υγρού σε μια οριζόντια επιφάνεια ενός στερεού σώματος θα πάρει το σχήμα μιας πεπλατυσμένης μπάλας. Στην περίπτωση αυτή, το υγρό ονομάζεται μη διαβροχή του στερεού. Η γωνία θ που σχηματίζεται από την επιφάνεια του στερεού και την εφαπτομένη στην επιφάνεια του υγρού ονομάζεται γωνία ακμής. Για μη διαβροχή θ > 90°. Σε αυτή την περίπτωση, μια στερεή επιφάνεια που δεν βρέχεται από υγρό ονομάζεται υδρόφοβη ή ελαιόφιλη. Εάν οι δυνάμεις πρόσφυσης μεταξύ των μορίων του υγρού είναι μικρότερες από ό,τι μεταξύ των μορίων του υγρού και του στερεού, τότε το υγρό τείνει να αυξήσει το όριο επαφής με το στερεό. Σε αυτή την περίπτωση, το υγρό ονομάζεται διαβροχή του στερεού. γωνία επαφής 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.
Η διαβρεξιμότητα και η μη διαβρεξιμότητα είναι σχετικές έννοιες: ένα υγρό που βρέχει ένα στερεό σώμα μπορεί να μην βρέχει άλλο σώμα. Για παράδειγμα, το νερό βρέχει το γυαλί, αλλά δεν βρέχει την παραφίνη. ο υδράργυρος δεν βρέχει το γυαλί, αλλά βρέχει τον χαλκό.
Η διαβροχή συνήθως ερμηνεύεται ως αποτέλεσμα δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Έστω η επιφανειακή τάση στο όριο αέρα-υγρού σ 1,2, στο όριο υγρού-στερεού σ 1,3 και στο όριο αέρα-στερεού σ 2,3.
Τρεις δυνάμεις δρουν ανά μονάδα μήκους της περιμέτρου διαβροχής, αριθμητικά ίσες με σ 1,2, σ 2,3, σ 1,3, κατευθυνόμενες εφαπτομενικά στις αντίστοιχες διεπαφές. Στην περίπτωση ισορροπίας, όλες οι δυνάμεις πρέπει να ισορροπούν η μία την άλλη. Οι δυνάμεις σ 2.3 και σ 1.3 δρουν στο επίπεδο της επιφάνειας ενός στερεού σώματος, η δύναμη σ 1.2 κατευθύνεται προς την επιφάνεια υπό γωνία θ.
Η κατάσταση ισορροπίας των μεσοφασικών επιφανειών έχει την εξής μορφή: σ 2,3 = σ 1,3 + σ 1,2cosθ ή cosθ =(σ 2,3 − σ1,3)/σ 1,2
Η τιμή του cosθ ονομάζεται συνήθως διαβροχή και συμβολίζεται με το γράμμα Β.
Η κατάσταση της επιφάνειας έχει κάποια επίδραση στη διαβροχή. Η διαβρεξιμότητα αλλάζει δραματικά ακόμη και με την παρουσία ενός μονομοριακού στρώματος υδρογονανθράκων. Τα τελευταία βρίσκονται πάντα στην ατμόσφαιρα σε επαρκείς ποσότητες. Το μικροανάγλυφο της επιφάνειας έχει επίσης κάποια επίδραση στη διαβροχή. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, δεν έχει ακόμη εντοπιστεί ένα ενοποιημένο μοτίβο της επίδρασης της τραχύτητας οποιασδήποτε επιφάνειας στη διαβροχή της από οποιοδήποτε υγρό. Για παράδειγμα, η εξίσωση Wenzel-Deryagin cosθ = ΧΤο cosθ0 συσχετίζει τις γωνίες επαφής του υγρού σε τραχιές (θ) και λείες (θ 0) επιφάνειες με την αναλογία x του εμβαδού της πραγματικής επιφάνειας του τραχιού σώματος προς την προβολή του στο επίπεδο. Ωστόσο, στην πράξη αυτή η εξίσωση δεν ακολουθείται πάντα. Έτσι, σύμφωνα με αυτή την εξίσωση, στην περίπτωση διαβροχής (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 – στην αύξησή του (δηλαδή σε μεγαλύτερη υδροφοβικότητα). Με βάση αυτό, συνήθως δίνονται πληροφορίες για την επίδραση της τραχύτητας στο βρέξιμο.
Σύμφωνα με πολλούς συγγραφείς, η ταχύτητα του υγρού που εξαπλώνεται σε μια τραχιά επιφάνεια είναι χαμηλότερη λόγω του γεγονότος ότι το υγρό, όταν απλώνεται, αντιμετωπίζει την επιβραδυντική επίδραση των εμφανιζόμενων εξογκωμάτων (προεξοχών) τραχύτητας. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι είναι ο ρυθμός μεταβολής της διαμέτρου της κηλίδας που σχηματίζεται από μια αυστηρά δοσομετρημένη σταγόνα υγρού που εφαρμόζεται σε μια καθαρή επιφάνεια του υλικού που χρησιμοποιείται ως το κύριο χαρακτηριστικό της διαβροχής στα τριχοειδή αγγεία. Η τιμή του εξαρτάται τόσο από τα επιφανειακά φαινόμενα όσο και από το ιξώδες του υγρού, την πυκνότητα και την πτητικότητά του.
Προφανώς, ένα πιο παχύρρευστο υγρό με άλλες πανομοιότυπες ιδιότητες χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να απλωθεί στην επιφάνεια και επομένως ρέει πιο αργά μέσω του τριχοειδούς καναλιού.
Τριχοειδή φαινόμενα
Τριχοειδή φαινόμενα, ένα σύνολο φαινομένων που προκαλούνται από επιφανειακή τάση στη διεπιφάνεια μη αναμίξιμων μέσων (σε συστήματα υγρού-υγρού, υγρού-αερίου ή ατμού) παρουσία επιφανειακής καμπυλότητας. Ειδική περίπτωση επιφανειακών φαινομένων.
Έχοντας μελετήσει λεπτομερώς τις δυνάμεις που κρύβουν τα τριχοειδή φαινόμενα, αξίζει να μετακινηθείτε απευθείας στα τριχοειδή αγγεία. Έτσι, πειραματικά μπορεί να παρατηρηθεί ότι ένα υγρό διαβροχής (για παράδειγμα, νερό σε γυάλινο σωλήνα) ανεβαίνει μέσω του τριχοειδούς. Επιπλέον, όσο μικρότερη είναι η ακτίνα του τριχοειδούς, τόσο μεγαλύτερο είναι το ύψος του υγρού που ανεβαίνει σε αυτό. Ένα υγρό που δεν βρέχει τα τοιχώματα του τριχοειδούς (για παράδειγμα, υδράργυρος σε γυάλινο σωλήνα) πέφτει κάτω από τη στάθμη του υγρού σε ένα φαρδύ δοχείο. Γιατί λοιπόν το υγρό διαβροχής ανεβαίνει στο τριχοειδές και το μη διαβρέχον ρευστό κατεβαίνει;
Δεν είναι δύσκολο να παρατηρήσετε ότι απευθείας στα τοιχώματα του αγγείου η επιφάνεια του υγρού είναι κάπως κυρτή. Εάν τα μόρια ενός υγρού που έρχονται σε επαφή με το τοίχωμα ενός αγγείου αλληλεπιδρούν με τα μόρια του στερεού σώματος πιο έντονα από ό,τι μεταξύ τους, σε αυτή την περίπτωση το υγρό τείνει να αυξήσει την περιοχή επαφής με το στερεό σώμα. υγρό διαβροχής). Σε αυτή την περίπτωση, η επιφάνεια του υγρού κάμπτεται προς τα κάτω και λέγεται ότι βρέχει τα τοιχώματα του αγγείου στο οποίο βρίσκεται. Εάν τα μόρια του υγρού αλληλεπιδρούν μεταξύ τους πιο έντονα από ό,τι με τα μόρια των τοιχωμάτων του αγγείου, τότε το υγρό τείνει να μειώσει την περιοχή επαφής με το στερεό σώμα, η επιφάνειά του καμπυλώνει προς τα πάνω. Στην περίπτωση αυτή, μιλάμε για μη διαβροχή των τοιχωμάτων των αγγείων από το υγρό.
Σε στενούς σωλήνες, η διάμετρος των οποίων είναι κλάσμα του χιλιοστού, οι καμπύλες άκρες του υγρού καλύπτουν ολόκληρο το επιφανειακό στρώμα και ολόκληρη η επιφάνεια του υγρού σε τέτοιους σωλήνες έχει μια εμφάνιση που μοιάζει με ημισφαίριο. Αυτός είναι ο λεγόμενος μηνίσκος. Μπορεί να είναι κοίλο, που παρατηρείται στην περίπτωση διαβροχής, και κυρτό σε περίπτωση μη διαβροχής. Η ακτίνα καμπυλότητας της επιφάνειας του υγρού είναι της ίδιας τάξης με την ακτίνα του σωλήνα. Τα φαινόμενα διαβροχής και μη διαβροχής σε αυτή την περίπτωση χαρακτηρίζονται και από τη γωνία επαφής θ μεταξύ της βρεγμένης επιφάνειας του τριχοειδούς σωλήνα και του μηνίσκου στα σημεία επαφής τους.
Κάτω από έναν κοίλο μηνίσκο ενός υγρού διαβροχής, η πίεση είναι μικρότερη από ό,τι κάτω από μια επίπεδη επιφάνεια. Επομένως, το υγρό σε ένα στενό σωλήνα (τριχοειδή) ανεβαίνει έως ότου η υδροστατική πίεση του υγρού που ανυψώνεται στο τριχοειδές στο επίπεδο μιας επίπεδης επιφάνειας αντισταθμίσει τη διαφορά πίεσης. Κάτω από τον κυρτό μηνίσκο του υγρού που δεν διαβρέχεται, η πίεση είναι μεγαλύτερη από ό,τι κάτω από την επίπεδη επιφάνεια, και αυτό οδηγεί στη βύθιση του μη διαβρέχοντος ρευστού.
Η παρουσία δυνάμεων επιφανειακής τάσης και η καμπυλότητα της επιφάνειας του υγρού σε έναν τριχοειδή σωλήνα είναι υπεύθυνη για την πρόσθετη πίεση κάτω από την καμπύλη επιφάνεια, που ονομάζεται πίεση Laplace: ∆ Π= ± 2σ / R.
Το πρόσημο της τριχοειδούς πίεσης ("συν" ή "πλην") εξαρτάται από το πρόσημο της καμπυλότητας. Το κέντρο καμπυλότητας μιας κυρτής επιφάνειας βρίσκεται μέσα στην αντίστοιχη φάση. Οι κυρτές επιφάνειες έχουν θετική καμπυλότητα, οι κοίλες επιφάνειες έχουν αρνητική καμπυλότητα.
Έτσι, η συνθήκη ισορροπίας για ένα υγρό σε έναν τριχοειδή σωλήνα καθορίζεται από την ισότητα
Π 0 = Π 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)
όπου ρ είναι η πυκνότητα του υγρού, η– το ύψος της ανύψωσής του στον σωλήνα, Π 0 – ατμοσφαιρική πίεση.
Από αυτή την έκφραση προκύπτει ότι η= 2σ /ρ gR. (2)
Ας μετατρέψουμε τον τύπο που προκύπτει, εκφράζοντας την ακτίνα καμπυλότητας Rμηνίσκου μέσω της ακτίνας του τριχοειδούς σωλήνα r.
Από το Σχ. 6.18 προκύπτει ότι r = R cosθ. Αντικαθιστώντας το (1) στο (2), παίρνουμε: η= 2σ cosθ /ρ γρ.
Ο τύπος που προκύπτει, ο οποίος καθορίζει το ύψος της ανόδου του υγρού σε έναν τριχοειδή σωλήνα, ονομάζεται τύπος του Jurin. Προφανώς, όσο μικρότερη είναι η ακτίνα του σωλήνα, τόσο μεγαλύτερο είναι το ύψος του υγρού που ανεβαίνει σε αυτόν. Επιπλέον, το ύψος της ανόδου αυξάνεται με την αύξηση του συντελεστή επιφανειακής τάσης του υγρού.
Η άνοδος του υγρού διαβροχής μέσω του τριχοειδούς μπορεί να εξηγηθεί με άλλο τρόπο. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, υπό την επίδραση των δυνάμεων επιφανειακής τάσης, η επιφάνεια του υγρού τείνει να συστέλλεται. Ως αποτέλεσμα, η επιφάνεια του κοίλου μηνίσκου τείνει να ισιώσει και να γίνει επίπεδη. Ταυτόχρονα, τραβά τα σωματίδια του υγρού που βρίσκονται κάτω από αυτό και το υγρό ανεβαίνει στο τριχοειδές. Αλλά η επιφάνεια του υγρού σε ένα στενό σωλήνα δεν μπορεί να παραμείνει επίπεδη· πρέπει να έχει το σχήμα ενός κοίλου μηνίσκου. Μόλις αυτή η επιφάνεια πάρει το σχήμα μηνίσκου σε νέα θέση, θα έχει και πάλι την τάση να συστέλλεται κ.λπ. Ως αποτέλεσμα αυτών των λόγων, το υγρό διαβροχής ανεβαίνει μέσω του τριχοειδούς. Η ανύψωση θα σταματήσει όταν η δύναμη βαρύτητας F της ανυψωμένης στήλης υγρού, η οποία έλκει την επιφάνεια προς τα κάτω, εξισορροπήσει την προκύπτουσα δύναμη F των δυνάμεων επιφανειακής τάσης που κατευθύνονται εφαπτομενικά σε κάθε σημείο της επιφάνειας.
Κατά μήκος του κύκλου επαφής της υγρής επιφάνειας με το τριχοειδές τοίχωμα υπάρχει δύναμη επιφανειακής τάσης ίση με το γινόμενο του συντελεστή επιφανειακής τάσης και της περιφέρειας: 2σπ r, Οπου r– ακτίνα του τριχοειδούς.
Η δύναμη της βαρύτητας που επενεργεί στο ανυψωμένο υγρό είναι
φάκορδόνι = mg = ρ Vg = ρπ r^2hg
όπου ρ είναι η πυκνότητα του υγρού. η– ύψος της στήλης υγρού στο τριχοειδές. σολ– τη δομή της βαρύτητας.
Η άνοδος του υγρού σταματά όταν φάκορδόνι = φάή ρπ r^2hg= 2σπ r. Εξ ου και το ύψος του υγρού που ανεβαίνει στο τριχοειδές η= 2σ /ρ gR.
Στην περίπτωση ενός υγρού που δεν διαβρέχεται, το τελευταίο, προσπαθώντας να μειώσει την επιφάνειά του, θα βυθιστεί προς τα κάτω, ωθώντας το υγρό έξω από το τριχοειδές.
Ο παραγόμενος τύπος είναι επίσης εφαρμόσιμος σε ένα μη διαβρέχον υγρό. Σε αυτήν την περίπτωση η– ύψος καθόδου υγρού στο τριχοειδές.
Τριχοειδή φαινόμενα στη φύση
Τα τριχοειδή φαινόμενα είναι επίσης πολύ συχνά στη φύση και χρησιμοποιούνται συχνά στην ανθρώπινη πρακτική. Το ξύλο, το χαρτί, το δέρμα, το τούβλο και πολλά άλλα αντικείμενα γύρω μας έχουν τριχοειδή αγγεία. Λόγω των τριχοειδών αγγείων, το νερό ανεβαίνει κατά μήκος των μίσχων των φυτών και απορροφάται στην πετσέτα όταν στεγνώνουμε με αυτήν. Η ανύψωση νερού μέσα από μικροσκοπικές τρύπες σε ένα κομμάτι ζάχαρης, η άντληση αίματος από το δάχτυλο είναι επίσης παραδείγματα τριχοειδών φαινομένων.
Το ανθρώπινο κυκλοφορικό σύστημα, ξεκινώντας από πολύ παχιά αγγεία, καταλήγει σε ένα πολύ διακλαδισμένο δίκτυο λεπτών τριχοειδών αγγείων. Για παράδειγμα, τα ακόλουθα δεδομένα μπορεί να είναι ενδιαφέροντα. Η διατομή της αορτής είναι 8 cm2. Η διάμετρος ενός τριχοειδούς αίματος μπορεί να είναι 50 φορές μικρότερη από τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας με μήκος 0,5 mm. Υπάρχουν περίπου 160 δισεκατομμύρια τριχοειδή αγγεία στο ενήλικο ανθρώπινο σώμα. Το συνολικό τους μήκος φτάνει τα 80 χιλιάδες χιλιόμετρα.
Μέσω των πολυάριθμων τριχοειδών αγγείων που υπάρχουν στο έδαφος, το νερό από τα βαθιά στρώματα ανεβαίνει στην επιφάνεια και εξατμίζεται εντατικά. Για να επιβραδυνθεί η διαδικασία της απώλειας υγρασίας, τα τριχοειδή αγγεία καταστρέφονται με τη χαλάρωση του εδάφους με τη χρήση σβάρνων, καλλιεργητών και ανυψωτικών.
Πρακτικό μέρος
Ας πάρουμε έναν γυάλινο σωλήνα με πολύ μικρή εσωτερική διάμετρο ( ρε < 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.
Η άνοδος του υγρού λόγω της δράσης των δυνάμεων επιφανειακής τάσης του νερού μπορεί να παρατηρηθεί σε ένα απλό πείραμα. Ας πάρουμε ένα καθαρό πανί και ας χαμηλώσουμε το ένα άκρο του σε ένα ποτήρι νερό και ας κρεμάσουμε το άλλο στην άκρη του ποτηριού. Το νερό θα αρχίσει να ανεβαίνει μέσα από τους πόρους του υφάσματος, παρόμοια με τους τριχοειδείς σωλήνες, και θα κορεστεί ολόκληρο το ύφασμα. Η περίσσεια νερού θα στάζει από το άκρο που κρέμεται (βλ. φωτογραφία 2).
Εάν πάρετε ένα ανοιχτόχρωμο ύφασμα για το πείραμα, τότε στη φωτογραφία είναι πολύ δύσκολο να δείτε πώς απλώνεται το νερό μέσα από το ύφασμα. Λάβετε επίσης υπόψη ότι δεν θα υπάρχει σε όλα τα υφάσματα περίσσεια σταγόνα νερού από το άκρο που κρέμεται. Έκανα αυτό το πείραμα δύο φορές. Την πρώτη φορά χρησιμοποιήσαμε ελαφρύ ύφασμα (βαμβακερά πλεκτά). Το νερό κυλούσε πολύ καλά σε σταγόνες από το κρεμαστό άκρο. Τη δεύτερη φορά χρησιμοποιήσαμε σκούρο ύφασμα (πλεκτά με μικτές ίνες - βαμβάκι και συνθετικά). Φαινόταν καθαρά πώς απλώθηκε το νερό πάνω από το ύφασμα, αλλά δεν έπεφταν σταγόνες από το κρεμαστό άκρο.
Η άνοδος του υγρού μέσω των τριχοειδών αγγείων συμβαίνει όταν οι δυνάμεις έλξης των μορίων του υγρού μεταξύ τους είναι μικρότερες από τις δυνάμεις έλξης τους στα μόρια ενός στερεού σώματος. Σε αυτή την περίπτωση, το υγρό λέγεται ότι διαβρέχει το στερεό.
Εάν πάρετε έναν όχι πολύ λεπτό σωλήνα, τον γεμίσετε με νερό και κλείσετε το κάτω άκρο του σωλήνα με το δάχτυλό σας, θα δείτε ότι η στάθμη του νερού στο σωλήνα είναι κοίλη (Εικ. 9).
Αυτό είναι αποτέλεσμα του γεγονότος ότι τα μόρια του νερού έλκονται περισσότερο από τα μόρια των τοιχωμάτων του αγγείου παρά μεταξύ τους.
Δεν «κολλάνε» όλα τα υγρά και όχι σε όλους τους σωλήνες στους τοίχους. Συμβαίνει επίσης το υγρό στο τριχοειδές να πέφτει κάτω από το επίπεδο σε ένα φαρδύ δοχείο, ενώ η επιφάνειά του είναι κυρτή. Ένα τέτοιο υγρό λέγεται ότι δεν βρέχει την επιφάνεια ενός στερεού. Η έλξη των υγρών μορίων μεταξύ τους είναι ισχυρότερη από τα μόρια των τοιχωμάτων του αγγείου. Έτσι συμπεριφέρεται, για παράδειγμα, ο υδράργυρος σε ένα γυάλινο τριχοειδές. (Εικ.10)
συμπέρασμα
Έτσι, κατά τη διάρκεια αυτής της εργασίας πείστηκα ότι:
- Τα τριχοειδή φαινόμενα παίζουν μεγάλο ρόλο στη φύση.
- Η άνοδος του υγρού στο τριχοειδές συνεχίζεται έως ότου η δύναμη της βαρύτητας που επενεργεί στη στήλη του υγρού στο τριχοειδές γίνει ίση σε μέγεθος με τη δύναμη που προκύπτει.
- Το υγρό διαβροχής στα τριχοειδή αγγεία ανεβαίνει και το μη διαβρέχον υγρό κινείται προς τα κάτω.
- Το ύψος του υγρού που ανεβαίνει σε ένα τριχοειδές είναι ευθέως ανάλογο με την επιφανειακή του τάση και αντιστρόφως ανάλογο με την ακτίνα του τριχοειδούς καναλιού και την πυκνότητα του υγρού.
Μεταξύ των διεργασιών που μπορούν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας επιφανειακή τάση και διαβροχή υγρών, αξίζει να επισημανθούν τα τριχοειδή φαινόμενα. Η φυσική είναι μια μυστηριώδης και εξαιρετική επιστήμη, χωρίς την οποία η ζωή στη Γη θα ήταν αδύνατη. Ας δούμε το πιο εντυπωσιακό παράδειγμα αυτής της σημαντικής πειθαρχίας.
Στη ζωή πρακτική, τέτοιες ενδιαφέρουσες διεργασίες από την άποψη της φυσικής όπως τα τριχοειδή φαινόμενα συμβαίνουν αρκετά συχνά. Το θέμα είναι ότι στην καθημερινή ζωή μας περιβάλλουν πολλά σώματα που απορροφούν εύκολα υγρά. Ο λόγος για αυτό είναι η πορώδης δομή τους και οι στοιχειώδεις νόμοι της φυσικής, και το αποτέλεσμα είναι τριχοειδή φαινόμενα.
Στενοί σωλήνες
Το τριχοειδές είναι ένας πολύ στενός σωλήνας στον οποίο το υγρό συμπεριφέρεται με ιδιαίτερο τρόπο. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα τέτοιων αγγείων στη φύση - τριχοειδή του κυκλοφορικού συστήματος, πορώδη σώματα, έδαφος, φυτά κ.λπ.
Το τριχοειδές φαινόμενο είναι η άνοδος ή η πτώση υγρών μέσω στενών σωλήνων. Τέτοιες διεργασίες παρατηρούνται στα φυσικά κανάλια των ανθρώπων, των φυτών και άλλων σωμάτων, καθώς και σε ειδικά στενά γυάλινα δοχεία. Η εικόνα δείχνει ότι έχουν δημιουργηθεί διαφορετικά επίπεδα νερού σε σωλήνες επικοινωνίας διαφορετικού πάχους. Σημειώνεται ότι όσο πιο λεπτό είναι το δοχείο τόσο υψηλότερη είναι η στάθμη του νερού.
Αυτά τα φαινόμενα αποτελούν τη βάση των απορροφητικών ιδιοτήτων μιας πετσέτας, της θρέψης των φυτών, της κίνησης του μελανιού κατά μήκος της ράβδου και πολλών άλλων διεργασιών.
Τριχοειδή φαινόμενα στη φύση
Η διαδικασία που περιγράφεται παραπάνω είναι εξαιρετικά σημαντική για τη διατήρηση της ζωής των φυτών. Το έδαφος είναι αρκετά χαλαρό· υπάρχουν κενά μεταξύ των σωματιδίων του, τα οποία αντιπροσωπεύουν ένα τριχοειδές δίκτυο. Το νερό ανεβαίνει μέσω αυτών των καναλιών, τροφοδοτώντας το ριζικό σύστημα των φυτών με υγρασία και όλες τις απαραίτητες ουσίες.
Μέσω αυτών των ίδιων τριχοειδών αγγείων, το υγρό εξατμίζεται ενεργά, επομένως είναι απαραίτητο να οργωθεί το έδαφος, το οποίο θα καταστρέψει τα κανάλια και θα διατηρήσει τα θρεπτικά συστατικά. Αντίθετα, το συμπιεσμένο χώμα θα εξατμίσει την υγρασία πιο γρήγορα. Αυτό εξηγεί τη σημασία του οργώματος του εδάφους για τη διατήρηση του υπεδάφους υγρού.
Στα φυτά, το τριχοειδές σύστημα διασφαλίζει ότι η υγρασία ανεβαίνει από τις μικρές ρίζες στα πάνω μέρη και μέσω των φύλλων εξατμίζεται στο εξωτερικό περιβάλλον.
Επιφανειακή τάση και διαβροχή
Το ζήτημα της συμπεριφοράς των υγρών στα δοχεία βασίζεται σε φυσικές διεργασίες όπως η επιφανειακή τάση και η διαβροχή. Τα τριχοειδή φαινόμενα που προκαλούνται από αυτά μελετώνται σύνθετα.
Υπό την επίδραση της επιφανειακής τάσης, το υγρό διαβροχής στα τριχοειδή αγγεία είναι πάνω από το επίπεδο στο οποίο θα έπρεπε να βρίσκεται σύμφωνα με το νόμο των συγκοινωνούντων αγγείων. Αντίθετα, η ουσία που δεν διαβρέχει βρίσκεται κάτω από αυτό το επίπεδο.
Έτσι, το νερό σε έναν γυάλινο σωλήνα (υγρό υγρού) ανεβαίνει σε μεγαλύτερο ύψος όσο πιο λεπτό είναι το δοχείο. Αντίθετα, όσο πιο λεπτό είναι το δοχείο, τόσο χαμηλότερος είναι ο υδράργυρος σε ένα γυάλινο δοκιμαστικό σωλήνα (ένα υγρό που δεν διαβρέχεται). Επιπλέον, όπως φαίνεται στην εικόνα, το υγρό διαβροχής σχηματίζει ένα κοίλο σχήμα του μηνίσκου και το μη διαβρέχον υγρό σχηματίζει ένα κυρτό σχήμα.
Υγρανση
Αυτό είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται στο όριο όπου ένα υγρό έρχεται σε επαφή με ένα στερεό (άλλο υγρό, αέρια). Προκύπτει λόγω της ειδικής αλληλεπίδρασης των μορίων στο όριο της επαφής τους.
Πλήρης διαβροχή σημαίνει ότι η σταγόνα απλώνεται στην επιφάνεια ενός στερεού, ενώ η μη διαβροχή το μετατρέπει σε σφαίρα. Στην πράξη, ο ένας ή ο άλλος βαθμός διαβροχής είναι πιο συνηθισμένος από τις ακραίες επιλογές.
Δύναμη επιφανειακής τάσης
Η επιφάνεια της σταγόνας έχει σφαιρικό σχήμα και ο λόγος για αυτό είναι ο νόμος που δρα στα υγρά - επιφανειακή τάση.
Τα τριχοειδή φαινόμενα οφείλονται στο γεγονός ότι η κοίλη πλευρά του υγρού στον σωλήνα τείνει να ευθυγραμμιστεί σε επίπεδη κατάσταση λόγω των δυνάμεων επιφανειακής τάσης. Αυτό συνοδεύεται από το γεγονός ότι τα εξωτερικά σωματίδια μεταφέρουν προς τα πάνω τα σώματα από κάτω τους και η ουσία ανεβαίνει στον σωλήνα. Ωστόσο, το υγρό στο τριχοειδές δεν μπορεί να πάρει ένα σχήμα επίπεδης επιφάνειας και αυτή η διαδικασία ανόδου συνεχίζεται μέχρι ένα ορισμένο σημείο ισορροπίας. Για να υπολογίσετε το ύψος στο οποίο θα ανέβει (πέφτει) η στήλη νερού, πρέπει να χρησιμοποιήσετε τους τύπους που θα παρουσιαστούν παρακάτω.
Υπολογισμός του ύψους της στήλης νερού
Η στιγμή που σταματά η άνοδος του νερού σε έναν στενό σωλήνα συμβαίνει όταν η δύναμη της βαρύτητας P της ουσίας εξισορροπεί τη δύναμη της επιφανειακής τάσης F. Αυτή η στιγμή καθορίζει το ύψος της ανόδου του υγρού. Τα τριχοειδή φαινόμενα προκαλούνται από δύο διαφορετικά κατευθυνόμενες δυνάμεις:
- Η δύναμη της βαρύτητας κλώνος P αναγκάζει το υγρό να πέσει κάτω.
- Η δύναμη επιφανειακής τάσης F μετακινεί το νερό προς τα πάνω.
Η δύναμη επιφανειακής τάσης που ενεργεί γύρω από τον κύκλο όπου το υγρό έρχεται σε επαφή με τα τοιχώματα του σωλήνα είναι ίση με:
όπου r είναι η ακτίνα του σωλήνα.
Η δύναμη της βαρύτητας που επενεργεί στο υγρό του σωλήνα είναι:
P σκέλος = ρπr2hg,
όπου ρ είναι η πυκνότητα του υγρού. h είναι το ύψος της στήλης υγρού στο σωλήνα.
Άρα, η ουσία θα σταματήσει να αυξάνεται με την προϋπόθεση ότι P βαρύ = F, που σημαίνει ότι
ρπr 2 hg = σ2πr,
Άρα το ύψος του υγρού στο σωλήνα είναι:
Ομοίως για ένα μη διαβρέχον υγρό:
h είναι το ύψος της ουσίας στο σωλήνα. Όπως φαίνεται από τους τύπους, το ύψος στο οποίο ανεβαίνει (πέφτει) το νερό σε ένα στενό δοχείο είναι αντιστρόφως ανάλογο με την ακτίνα του δοχείου και την πυκνότητα του υγρού. Αυτό ισχύει για υγρά διαβροχής και μη. Υπό άλλες συνθήκες, είναι απαραίτητο να γίνει μια προσαρμογή για το σχήμα του μηνίσκου, η οποία θα παρουσιαστεί στο επόμενο κεφάλαιο.
Πίεση Laplace
Όπως έχει ήδη σημειωθεί, το υγρό σε στενούς σωλήνες συμπεριφέρεται με τέτοιο τρόπο που φαίνεται ότι παραβιάζεται ο νόμος των συγκοινωνούντων δοχείων. Το γεγονός αυτό συνοδεύει πάντα τα τριχοειδή φαινόμενα. Η φυσική το εξηγεί χρησιμοποιώντας την πίεση Laplace, η οποία κατευθύνεται προς τα πάνω όταν το υγρό βρέχεται. Χαμηλώνοντας ένα πολύ στενό σωλήνα στο νερό, παρατηρούμε πώς το υγρό αναρροφάται σε ένα ορισμένο επίπεδο h. Σύμφωνα με το νόμο των συγκοινωνούντων δοχείων, έπρεπε να εξισορροπηθεί με την εξωτερική στάθμη του νερού.
Αυτή η απόκλιση εξηγείται από την κατεύθυνση της πίεσης Laplace p l:
Σε αυτή την περίπτωση κατευθύνεται προς τα πάνω. Το νερό αναρροφάται μέσα στο σωλήνα σε ένα επίπεδο όπου εξισορροπείται με την υδροστατική πίεση pg της στήλης νερού:
και αν p l =p g, τότε μπορούμε να εξισώσουμε τα δύο μέρη της εξίσωσης:
Τώρα το ύψος h μπορεί εύκολα να εξαχθεί ως τύπος:
Όταν ολοκληρωθεί η διαβροχή, τότε ο μηνίσκος, που σχηματίζει την κοίλη επιφάνεια του νερού, έχει σχήμα ημισφαιρίου, όπου Ɵ=0. Σε αυτή την περίπτωση, η ακτίνα της σφαίρας R θα είναι ίση με την εσωτερική ακτίνα του τριχοειδούς r. Από εδώ παίρνουμε:
Και στην περίπτωση ατελούς διαβροχής, όταν Ɵ≠0, η ακτίνα της σφαίρας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:
Τότε το επιθυμητό ύψος, διορθωμένο για τη γωνία, θα είναι ίσο με:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
Από τις παρουσιαζόμενες εξισώσεις είναι σαφές ότι το ύψος h είναι αντιστρόφως ανάλογο με την εσωτερική ακτίνα του σωλήνα r. Το νερό φτάνει στο μεγαλύτερο ύψος του σε αγγεία με διάμετρο ανθρώπινης τρίχας, τα οποία ονομάζονται τριχοειδή. Όπως είναι γνωστό, ένα υγρό διαβροχής τραβιέται προς τα πάνω και ένα μη διαβρεκτικό ρευστό ωθείται προς τα κάτω.
Μπορείτε να πραγματοποιήσετε ένα πείραμα παίρνοντας δοχεία επικοινωνίας, όπου το ένα από αυτά είναι φαρδύ και το άλλο πολύ στενό. Έχοντας ρίξει νερό σε αυτό, μπορείτε να σημειώσετε διαφορετικό επίπεδο υγρού και στην έκδοση με διαβρεκτική ουσία το επίπεδο στον στενό σωλήνα είναι υψηλότερο και με μια μη διαβρέχουσα ουσία είναι χαμηλότερο.
Η σημασία των τριχοειδών φαινομένων
Χωρίς τριχοειδή φαινόμενα, η ύπαρξη ζωντανών οργανισμών είναι απλά αδύνατη. Είναι μέσω των μικρότερων αγγείων που το ανθρώπινο σώμα λαμβάνει οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά. Οι ρίζες των φυτών είναι ένα δίκτυο τριχοειδών αγγείων που αντλούν υγρασία από το έδαφος, φέρνοντάς το στα ανώτερα φύλλα.
Ο απλός οικιακός καθαρισμός είναι αδύνατος χωρίς τριχοειδή φαινόμενα, γιατί σύμφωνα με αυτή την αρχή, το ύφασμα απορροφά νερό. Μια πετσέτα, μελάνι, ένα φυτίλι σε μια λάμπα λαδιού και πολλές συσκευές λειτουργούν σε αυτή τη βάση. Τα τριχοειδή φαινόμενα στην τεχνολογία παίζουν σημαντικό ρόλο στην ξήρανση των πορωδών σωμάτων και σε άλλες διεργασίες.
Μερικές φορές αυτά τα ίδια φαινόμενα δίνουν ανεπιθύμητες συνέπειες, για παράδειγμα, οι πόροι του τούβλου απορροφούν την υγρασία. Για να αποφύγετε την υγρασία των κτιρίων υπό την επίδραση των υπόγειων υδάτων, πρέπει να προστατεύσετε το θεμέλιο με στεγανωτικά υλικά - πίσσα, τσόχα στέγης ή τσόχα στέγης.
Το να βρέχετε ρούχα κατά τη διάρκεια της βροχής, για παράδειγμα, παντελόνια μέχρι τα γόνατα από το περπάτημα μέσα από λακκούβες, οφείλεται επίσης σε τριχοειδή φαινόμενα. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα αυτού του φυσικού φαινομένου γύρω μας.
Πειραματιστείτε με λουλούδια
Παραδείγματα τριχοειδών φαινομένων μπορούν να βρεθούν στη φύση, ειδικά όταν πρόκειται για φυτά. Οι κορμοί τους έχουν πολλά μικρά αγγεία μέσα. Μπορείτε να πειραματιστείτε με τη ζωγραφική ενός λουλουδιού σε κάποιο φωτεινό χρώμα ως αποτέλεσμα τριχοειδών φαινομένων.
Πρέπει να πάρετε νερό με έντονο χρώμα και ένα λευκό λουλούδι (ή ένα φύλλο κινέζικου λάχανου, ένα κοτσάνι σέλινου) και να το τοποθετήσετε σε ένα ποτήρι με αυτό το υγρό. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, μπορείτε να παρατηρήσετε πώς το χρώμα κινείται προς τα πάνω στα φύλλα του κινέζικου λάχανου. Το χρώμα του φυτού θα αλλάξει σταδιακά ανάλογα με το χρώμα στο οποίο είναι τοποθετημένο. Αυτό οφείλεται στην κίνηση της ουσίας προς τα στελέχη σύμφωνα με τους νόμους που συζητήσαμε σε αυτό το άρθρο.
Αλλάξτε τη στάθμη σε σωλήνες, στενά κανάλια αυθαίρετου σχήματος, πορώδη σώματα. Μια αύξηση του υγρού συμβαίνει σε περιπτώσεις όπου τα κανάλια διαβρέχονται από υγρά, για παράδειγμα, νερό σε γυάλινους σωλήνες, άμμο, χώμα κ.λπ. Μια μείωση του υγρού εμφανίζεται σε σωλήνες και κανάλια που δεν διαβρέχονται από υγρό, για παράδειγμα, υδράργυρος σε γυάλινο σωλήνα.
Η ζωτική δραστηριότητα των ζώων και των φυτών, οι χημικές τεχνολογίες και τα καθημερινά φαινόμενα (για παράδειγμα, ανύψωση κηροζίνης κατά μήκος του φυτιλιού σε λάμπα κηροζίνης, σκούπισμα των χεριών με μια πετσέτα) βασίζονται στην τριχοειδή ικανότητα. Η τριχοειδής ικανότητα του εδάφους καθορίζεται από τον ρυθμό με τον οποίο ανέρχεται το νερό στο έδαφος και εξαρτάται από το μέγεθος των χώρων μεταξύ των σωματιδίων του εδάφους.
Τα τριχοειδή είναι λεπτοί σωλήνες, καθώς και τα λεπτότερα αγγεία του ανθρώπινου σώματος και άλλων ζώων (βλ. Τριχοειδή (βιολογία)).
δείτε επίσης
Βιβλιογραφία
- Prokhorenko P. P. Υπερηχητικό τριχοειδές αποτέλεσμα / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunov, G. E. Konovalov; Εκδ. V. V. Klubovich. 135 σελ. Μινσκ: «Επιστήμη και Τεχνολογία», 1981.
Συνδέσεις
- Gorin Yu. V. Ευρετήριο φυσικών επιπτώσεων και φαινομένων για χρήση στην επίλυση εφευρετικών προβλημάτων (εργαλείο TRIZ) // Κεφάλαιο. 1.2 Επιφανειακή τάση υγρών. Τριχοειδής.
Ίδρυμα Wikimedia. 2010.
Δείτε τι είναι το "Capillary (physics)" σε άλλα λεξικά:
Η λέξη τριχοειδής χρησιμοποιείται για να περιγράψει πολύ στενούς σωλήνες μέσα από τους οποίους μπορεί να περάσει υγρό. Για περισσότερες λεπτομέρειες, ανατρέξτε στο άρθρο Τριχοειδές φαινόμενο. Το τριχοειδές (βιολογία) είναι ο μικρότερος τύπος αιμοφόρου αγγείου. Τριχοειδής (φυσική) Τριχοειδής... ... Βικιπαίδεια
Κριτήριο Landau για την υπερρευστότητα είναι η σχέση μεταξύ των ενεργειών και των ροπών των στοιχειωδών διεγέρσεων ενός συστήματος (φωνόνια), που καθορίζει την πιθανότητα να βρίσκεται σε υπερρευστότητα. Περιεχόμενα 1 Διατύπωση του κριτηρίου 2 Συμπέρασμα του κριτηρίου ... Wikipedia
Εξωτερική μονάδα διαιρούμενων συστημάτων και συμπυκνωτών (πύργοι ψύξης με ανεμιστήρα) επαγγελματικού ψυκτικού εξοπλισμού σε ένα ράφι Κλίμα και εξοπλισμός ψυκτικού εξοπλισμού που βασίζεται στη λειτουργία ψυκτικών μηχανών ... Wikipedia
Μια αλλαγή στη θερμοκρασία του αερίου ως αποτέλεσμα της αργής ροής του υπό την επίδραση μιας σταθερής πτώσης πίεσης μέσω ενός γκαζιού· ένα τοπικό εμπόδιο στη ροή του αερίου (τριχοειδής, βαλβίδα ή πορώδες χώρισμα που βρίσκεται στον σωλήνα κατά μήκος της διαδρομής... .. .
Είναι ένα άχρωμο διαφανές υγρό, που βράζει σε ατμοσφαιρική πίεση σε θερμοκρασία 4,2 K (υγρό 4He). Η πυκνότητα του υγρού ηλίου σε θερμοκρασία 4,2 K είναι 0,13 g/cm³. Έχει χαμηλό δείκτη διάθλασης, λόγω... ... Wikipedia
Το συντριβάνι, η εμφάνιση σε ένα υπερρευστό υγρό διαφοράς πίεσης Δρ που προκαλείται από διαφορά θερμοκρασίας ΔΤ (βλ. Υπερρευστότητα). T. e. εκδηλώνεται σε υγρό υπερρευστό ήλιο στη διαφορά στα επίπεδα του υγρού σε δύο δοχεία,... ... Μεγάλη Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια
Ο καθένας μας μπορεί εύκολα να ανακαλέσει πολλές ουσίες που θεωρεί υγρές. Ωστόσο, δεν είναι τόσο εύκολο να δοθεί ένας ακριβής ορισμός αυτής της κατάστασης της ύλης, καθώς τα υγρά έχουν τέτοιες φυσικές ιδιότητες που από ορισμένες απόψεις... ... Εγκυκλοπαίδεια Collier
Τριχοειδής (από το λατινικό capillaris hair), τριχοειδές φαινόμενο είναι ένα φυσικό φαινόμενο που συνίσταται στην ικανότητα των υγρών να αλλάζουν τη στάθμη σε σωλήνες, στενά κανάλια αυθαίρετου σχήματος, πορώδη σώματα. Αύξηση υγρών εμφανίζεται σε περιπτώσεις... ... Wikipedia
