Kapillaarnähtused, pinnanähtused vedeliku piiril teise keskkonnaga, mis on seotud selle pinna kumerusega. Vedeliku pinna kumerus gaasifaasi piiril tekib vedeliku pindpinevuse toimel, mis kaldub vähendama piirpinda ja andma piiratud vedeliku mahule kera kuju. Kuna sfääril on antud ruumala jaoks minimaalne pindala, siis vastab see kuju vedeliku minimaalsele pinnaenergiale, s.o. selle stabiilne tasakaaluseisund. Piisavalt suurte vedelikumasside korral kompenseerib pindpinevuse mõju gravitatsioon, mistõttu madala viskoossusega vedelik võtab kiiresti anuma kuju, kuhu see valatakse, ja on vaba. pind tundub peaaegu tasane.
Raskusjõu puudumisel või väga väikeste masside korral võtab vedelik alati kerakujulise kuju (tilga), mille pinna kumerus määrab palju asju. aine omadused. Seetõttu on kapillaarnähtused väljendunud ja mängivad olulist rolli kaaluta oleku tingimustes, vedeliku purustamisel gaasilises keskkonnas (või gaasi pihustamisel vedelikku) ja paljudest tilkadest või mullidest koosnevate süsteemide (emulsioonid, aerosoolid) moodustumisel. , vahud), vedelikupiiskade uue faasi tekkimisel aurude kondenseerumisel, aurumullid keemise ajal, kristalliseerumistuumad. Kui vedelik puutub kokku kondenseerunud kehadega (teise vedeliku või tahke kehaga), tekib liidese kõverus liidese pinge toimel.
Niisutamise korral, näiteks vedeliku kokkupuutel anuma tahke seinaga, panevad tahke aine ja vedeliku molekulide vahel mõjuvad külgetõmbejõud selle mööda anuma seina ülespoole, mille tulemusena. seinaga külgnev vedelikupinna osa võtab nõgusa kuju. Kitsastes kanalites, näiteks silindrilistes kapillaarides, moodustub nõgus menisk - täiesti kumer vedelikupind (joon. 1).
Riis. 1. Kapillaaride tõus h vedelik, mis niisutab raadiusega kapillaari seinu r; q - niisutamise kontaktnurk.
kapillaarrõhk.
Kuna pindpinevusjõud on suunatud tangentsiaalselt vedeliku pinnale, siis viimase kumerus viib vedeliku mahu sisse suunatud komponendi ilmumiseni. Selle tulemusena tekib kapillaarrõhk, mille väärtus Dp on seotud pinna keskmise kõverusraadiusega r 0 Laplace'i võrrandi abil:
Dp = p 1 - p 2 \u003d 2s 12 / r 0, (1)
kus p 1 ja p 2 - rõhk vedelikus 1 ja naaberfaasis 2 (gaas või vedelik), s 12 - pindpinevus (liides).
Kui vedeliku pind on nõgus (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) Dp märk on vastupidine. Kapillaari negatiivne rõhk, mis tekib kapillaari seinte vedelikuga niisutamisel, viib selleni, et vedelik imetakse kapillaari kuni vedelikusamba massi kõrguseni. h ei tasakaalusta rõhukadu Dp. Tasakaaluseisundis määratakse kapillaartõusu kõrgus Jurini valemiga:
kus r 1 ja r 2 on vedeliku 1 ja keskkonna 2 tihedus, g on raskuskiirendus, r on kapillaari raadius, q on märgumisnurk. Vedelike puhul, mis ei niisuta kapillaaride seinu, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
Avaldisest (2) tuleneb vedeliku kapillaarkonstandi definitsioon A= 1/2. Sellel on pikkuse mõõde ja see iseloomustab lineaarset suurust Z[A, mille juures kapillaarnähtused muutuvad oluliseks Niisiis, vee puhul temperatuuril 20 ° C a = 0,38 cm. Nõrga raskusjõu korral (g: 0) väärtus A suureneb. Osakeste kokkupuute piirkonnas põhjustab kapillaarkondensatsioon osakeste kokkutõmbumist alandatud rõhu Dp toimel.< 0.
Kelvini võrrand.
Vedeliku pinna kumerus põhjustab selle kohal oleva tasakaalulise aururõhu muutumise R võrreldes küllastunud auru rõhuga ps tasase pinna kohal samal temperatuuril T. Neid muutusi kirjeldab Kelvini võrrand:
kus on vedeliku molaarmaht, R on gaasikonstant. Aururõhu langus või tõus sõltub pinna kumeruse märgist: kumerate pindade kohal (r 0 > 0) p > p s ;üle nõgus (r 0< 0) R< р s . . Nii et tilkade kohal suureneb aururõhk; mullides, vastupidi, see on langetatud.
Kelvini võrrandi alusel arvutatakse kapillaaride või poorsete kehade täituvus kell kapillaaride kondenseerumine. Kuna väärtused R on erineva suurusega osakeste või süvendite ja eenditega pindalade puhul erinevad, võrrand (3) määrab ka aine ülekande suuna süsteemi ülemineku protsessis tasakaaluolekusse. See toob kaasa eelkõige asjaolu, et väiksemate aurustumisel (lahustumisel) kasvavad suhteliselt suured tilgad või osakesed ning mittekristalliliste kehade pinna ebatasasused siluvad väljaulatuvate osade lahustumise ja süvendite paranemise tõttu. Märgatavad erinevused aururõhus ja lahustuvuses tekivad vaid piisavalt väikese r 0 juures (vee puhul näiteks r 0 juures. Seetõttu kasutatakse kolloidsüsteemide ja poorsete kehade ning neis toimuvate protsesside oleku iseloomustamiseks sageli Kelvini võrrandit.
Riis. 2. Vedeliku väljatõrjumine pikkuse järgi l kapillaaris raadiusega r; q - kontaktnurk.
kapillaaride immutamine.
Rõhu langus nõgusate meniskide all on üheks põhjuseks, miks vedelik liigub kapillaarselt väiksema kõverusraadiusega meniskide suunas. Selle erijuhtum on poorsete kehade immutamine – vedelike spontaanne imendumine lüofiilsetesse pooridesse ja kapillaaridesse (joonis 2). Kiirus v meniski liikumine horisontaalselt paiknevas kapillaaris (või väga õhukeses vertikaalses kapillaaris, kui gravitatsiooni mõju on väike) määratakse Poiseuille' võrrandiga:
Kus l on neeldunud vedelikuosa pikkus, h on selle viskoossus, Dp on sektsiooni rõhulang l, võrdne meniski kapillaarrõhuga: Dp = - 2s 12 cos q/r. Kui kontaktnurk q ei sõltu kiirusest v, on võimalik arvutada aja jooksul imendunud vedeliku kogust t vahekorrast:
l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Kui q on funktsioon v, See l Ja v seotud keerulisemate suhetega.
Immutamise määra arvutamiseks kasutatakse võrrandeid (4) ja (5) puidu töötlemisel antiseptikumidega, kangaste värvimisel, poorsetele kandjatele katalüsaatorite kandmisel, väärtuslike kivimikomponentide leostamisel ja difusiooniekstraheerimisel jne. Impregneerimise kiirendamiseks kasutatakse sageli pindaktiivseid aineid. kasutatakse, mis parandavad niisutamist, vähendades kontaktnurka q. Kapillaarimmutamise üheks võimaluseks on ühe vedeliku väljatõrjumine poorsest keskkonnast teisega, mis ei segune pooride pinna esimese ja parema niisutamisega. See on näiteks pindaktiivsete ainete vesilahustega reservuaaridest jääkõli ekstraheerimise meetodite ja elavhõbeda poorimeetria meetodite aluseks. Füüsikalis-keemiline hüdrodünaamika käsitleb lahuste kapillaaride imendumist pooridesse ja segunematute vedelike väljatõrjumist pooridest, millega kaasneb komponentide adsorptsioon ja difusioon.
Lisaks kirjeldatud vedeliku tasakaaluolekutele ja selle liikumisele poorides ja kapillaarides nimetatakse kapillaarnähtusteks ka väga väikese vedelikumahu, eriti õhukeste kihtide ja kilede tasakaaluseisundeid. Neid kapillaarnähtusi nimetatakse sageli II tüüpi kapillaarnähtusteks. Neid iseloomustab näiteks vedeliku pindpinevuse sõltuvus tilkade raadiusest ja joonpinge. Kapillaarnähtusi uurisid esmakordselt Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (17. sajand) ja J. Jurin (18. sajand), tehes katseid kapillaartorudega. Kapillaarnähtuste teooria on välja töötatud P. Laplace'i (1806), T. Jungi (1804), A. Yu. Davydovi (1851), J. W. Gibbsi (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886) töödes. Teist tüüpi kapillaarnähtuste teooria väljatöötamise alguse panid B. V. Deryagini ja L. M. Štšerbakovi teosed.
Niisumisel tekib pinnakõverus, mis muudab pinnakihi omadusi. Üleliigse vaba energia olemasolu kõvera pinna lähedal viib nn kapillaarnähtusteni – väga omapärased ja olulised.
Alustuseks teeme kvalitatiivse kaalutluse seebimulli näitel. Kui avame mulli puhumise käigus toru otsa, näeme, et selle otsas asuv mull väheneb ja tõmmatakse torusse. Kuna avatud otsa õhk suhtles atmosfääriga, on seebimulli tasakaaluseisundi säilitamiseks vajalik, et sees olev rõhk oleks suurem kui väljas. Kui samal ajal on toru ühendatud monomeetriga, registreeritakse sellel teatud taseme erinevus - ülerõhk DP gaasi mahufaasis mullipinna nõgusalt küljelt.
Teeme kindlaks kvantitatiivse seose DP ja pinna kõverusraadiuse 1/r vahel kahe tasakaalus oleva ja sfäärilise pinnaga eraldatud massifaasi vahel. (näiteks gaasimull vedelikus või vedelikutilk aurufaasis). Selleks kasutame vaba energia üldist termodünaamilist avaldist tingimusel T = const ja aine ei kandu ühest faasist teise dn i = 0. Tasakaaluseisundis on võimalikud pinna ds ja ruumala dV kõikumised. Suureneb V dV võrra ja s ds võrra. Seejärel:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
Tasakaaluseisundis dF = 0. Võttes arvesse asjaolu, et dV 1 = dV 2 , leiame:
P 1 - P 2 \u003d s ds / dV.
Seega P 1 > P 2 . Arvestades, et V 1 = 4/3 p r 3 , kus r on kõverusraadius, saame:
Asendamine annab Laplace'i võrrandi:
P 1 - P 2 \u003d 2s / r. (1)
Üldisemalt, pöördeellipsoidi jaoks, mille kõverusraadiused on r 1 ja r 2, on Laplace'i seadus sõnastatud:
P 1 - P 2 \u003d s / (1 / R 1 - 1 / R 2).
Kui r 1 = r 2 saame (1), r 1 = r 2 = ¥ (tasand) P 1 = P 2 .
Erinevust DP nimetatakse kapillaarrõhuks. Vaatleme kapillaarnähtuste teooriate aluseks oleva Laplace'i seaduse füüsikalist tähendust ja tagajärgi, võrrand näitab, et rõhuerinevus mahufaasides suureneb s suurenedes ja kõverusraadiuse vähenemisega. Seega, mida suurem on dispersioon, seda suurem on sfäärilise pinnaga vedeliku siserõhk. Näiteks aurufaasis oleva veetilga puhul r = 10–5 cm, DP = 2. 73 . 10 5 dynes / cm 2 "15 at. Seega on tilga sees rõhk auruga võrreldes 15 atm kõrgem kui aurufaasis. Tuleb meeles pidada, et olenemata faaside agregatsiooni olekust on tasakaaluseisundis rõhk pinna nõgusal küljel alati suurem kui kumeral.. Võrrand annab aluse s eksperimentaalseks mõõtmiseks. kõrgeima mulli rõhu meetodil. Kapillaarrõhu olemasolu üks olulisemaid tagajärgi on vedeliku tõus kapillaaris.
Vedelikku sisaldavatel täheldatakse kapillaarnähtusi
Kitsates anumates, mille seinte vaheline kaugus on proportsionaalne vedeliku pinna kõverusraadiusega. Kumerus tuleneb vedeliku koostoimest anuma seintega. Vedeliku käitumise eripära kapillaaranumates oleneb sellest, kas vedelik niisutab anuma seinu või mitte, täpsemalt märgumise kontaktnurga väärtusest.
Vaatleme vedelikutasemete asetust kahes kapillaaris, millest üks on lüofiilse pinnaga ja seetõttu on selle seinad märjad, teine aga lüofiliseeritud pinnaga ja ei ole märganud. Esimeses kapillaaris on pinnal negatiivne kumerus. Täiendav Laplace'i rõhk kipub vedelikku venima. (rõhk on suunatud kõveruskeskme poole). Pinna all olev rõhk on madalam kui rõhk tasasel pinnal. Selle tulemusena tekib üleslükkejõud, mis tõstab vedelikku kapillaaris kuni samba raskus tasakaalustab mõjuva jõu.Teises kapillaaris on pinnakõverus positiivne, lisarõhk suunatakse vedelikku, mille tulemusena kapillaaris olev vedelik laskub alla.
Tasakaaluseisundis on Laplace'i rõhk võrdne h kõrgusega vedelikusamba hüdrostaatilise rõhuga:
DP \u003d ± 2s / r \u003d (r - r o) gh, kus r, r o on vedeliku ja gaasi faasi tihedus, g on raskuskiirendus, r on meniski raadius.
Selleks, et seostada kapillaari tõusu kõrgust märgumiskarakteristikuga, väljendame meniski raadiust märgumisnurga Q ja kapillaari raadiuse r 0 kaudu. On selge, et r 0 = r cosQ, kapillaari kõrgus kapillaaride tõus on väljendatud järgmiselt (Jurini valem):
h \u003d 2scosQ / r 0 (r - r 0)g
Niisutamise puudumisel 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.
Vedelike kapillaaride tõusuga seletatakse mitmeid üldtuntud nähtusi ja protsesse: paberi ja kangaste immutamine on tingitud vedeliku kapillaarsest tõusust poorides. Kangaste veekindluse tagab nende hüdrofoobsus – negatiivse kapillaartõusu tagajärg. Vee tõus mullast toimub tänu mulla struktuurile ja tagab Maa taimkatte olemasolu, vee tõus pinnasest mööda taimede tüvesid toimub puidu kiulise struktuuri tõttu, protsessi vereringet veresoontes, niiskuse tõusu hoone seintes (paigutage hüdroisolatsioon) jne.
Termodünaamiline reaktsioonivõime (t.r.s.).
See iseloomustab aine võimet minna mõnda teise olekusse, näiteks teise faasi, astuda keemilisse reaktsiooni. See näitab antud süsteemi kaugust tasakaaluseisundist antud tingimustes. T.r.s. määratakse keemilise afiinsusega, mida saab väljendada Gibbsi energia muutusena või keemiliste potentsiaalide erinevusena.
R.s oleneb aine dispersiooniastmest. Dispersiooniastme muutus võib viia faasi või keemilise tasakaalu nihkeni.
Gibbsi energia dG d vastavat suurenemist (dispersiooni muutumise tõttu) saab esitada termodünaamika esimese ja teise seaduse kombineeritud võrrandina: dG d = -S dT + V dp
Üksiku aine jaoks V = V mol ja T = const korral on meil: dG d = V mol dp või DG d = V mol Dp
Asendades selles võrrandis Laplace'i seose, saame dG d = s V mol ds/dV
sfäärilise kõveruse korral: dG d \u003d ± 2 s V mol / r (3)
Võrrandid näitavad, et dispersiooni muutumisest tulenev reaktsioonivõime suurenemine on võrdeline pinna kumerusega ehk dispersiooniga.
Kui arvestada aine üleminekut kondenseerunud faasist gaasilisse faasi, saab Gibbsi energiat väljendada aururõhuna, võttes seda ideaalseks. Siis on dispersiooni muutusega seotud Gibbsi energia täiendav muutus:
dG d \u003d RT ln (p d / p s) (4), kus p d ja p s on küllastunud auru rõhk kõveratel ja ühtlastel pindadel.
Asendades (4) väärtusega (3), saame: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r
Seda suhet nimetatakse Kelvini-Thomsoni võrrandiks. Sellest võrrandist järeldub, et positiivse kõveruse korral on küllastunud aururõhk kumeral pinnal seda suurem, mida suurem on kumerus, s.t. väiksem tilkade raadius. Näiteks veetilgale raadiusega r = 10 -5 cm (s=73, V mol =18) p d / p s = 0,01, s.o 1%. See Kelvin-Thomsoni seaduse tagajärg võimaldab ennustada isotreemilise destilleerimise nähtust, mis seisneb väikseimate tilkade aurustamises ja auru kondenseerumises suurematel tilkadel ja tasasel pinnal.
Negatiivse kumerusega, mis tekib kapillaarides märgumise ajal, saadakse pöördvõrdeline seos: küllastunud aururõhk kõvera pinna kohal (tilga kohal) väheneb kumeruse suurenedes (kapillaariraadiuse vähenemisega). Seega, kui vedelik kapillaari märjaks teeb, siis auru kondenseerumine kapillaaris toimub madalamal rõhul kui tasasel pinnal. Seetõttu nimetatakse Kelvini võrrandeid sageli kapillaarkondensatsiooni võrrandiks.
Vaatleme osakeste dispersiooni mõju nende lahustuvusele. Võttes arvesse, et Gibbsi energia muutust väljendatakse aine lahustuvuse kaudu erinevas hajutatud olekus, sarnaselt seosele (4), saame mitteelektrolüütide puhul:
ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r kus c d ja c a on aine lahustuvus peenelt hajutatud olekus ja lahustuvus tasakaalus selle aine suurte osakestega
Elektrolüüdi kohta, mis dissotsieerub lahuses n ioonideks, võime kirjutada (jättes tähelepanuta aktiivsuskoefitsiendid):
ln(a d /a s) \u003d n ln (c d /c s) \u003d ±2 s V mol /RT r, kus a d ja a s on elektrolüütide aktiivsus lahustes, mis on küllastunud lahustes kõrgelt hajutatud y ja jämedalt hajutatud olekus. Võrrandid näitavad, et dispersiooni suurenedes lahustuvus suureneb või on dispergeeritud süsteemi osakeste keemiline potentsiaal 2 s V mol/r võrra suurem kui suurel osakesel. Samas sõltub lahustuvus pinnakõveruse märgist, mis tähendab, et kui tahke aine osakesed on ebakorrapärase kujuga positiivse ja negatiivse kõverusega ning on küllastunud lahuses, siis positiivse kõverusega alad lahustuvad, ja need, kellel on negatiivne kumerus, kasvavad. Selle tulemusena omandavad lahustunud aine osakesed lõpuks tasakaaluolekule vastava täpselt määratletud kuju.
Dispersiooniaste võib mõjutada ka keemilise reaktsiooni tasakaalu: - DG 0 d \u003d RT ln (K d / K), kus DG 0 d on dispersioonist tingitud keemilise afiinsuse kasv, K d ja K on tasakaal. hajutatud ja dispergeerimata ainetega seotud reaktsioonide konstandid .
Dispersiooni suurenemisega komponentide aktiivsus suureneb ja vastavalt sellele muutub keemilise tasakaalu konstant ühes või teises suunas, sõltuvalt lähteainete ja reaktsioonisaaduste dispersiooniastmest. Näiteks kaltsiumkarbonaadi lagunemisreaktsiooni jaoks: CaCO 3 " CaO + CO 2
algse kaltsiumkarbonaadi hajuvuse suurenemine nihutab tasakaalu paremale ja süsihappegaasi rõhk süsteemi kohal suureneb. Kaltsiumoksiidi dispersiooni suurendamine toob kaasa vastupidise tulemuse.
Samal põhjusel nõrgeneb dispersiooni suurenemisega kristallisatsioonivee side ainega. Nii et Al 2 O 3 makrokristall. 3 H 2 O loobub veest 473 K juures, samas kui kolloidse suurusega osakeste sademes laguneb kristalne hüdraat temperatuuril 373 K. Kuld ei interakteeru vesinikkloriidhappega ja selles lahustub kolloidne kuld. Jäme väävel ei suhtle oluliselt hõbedasooladega ja kolloidne väävel moodustab hõbesulfiidi.
Tähelepanu! Saidi haldamise sait ei vastuta metoodiliste arenduste sisu ega ka föderaalse osariigi haridusstandardi väljatöötamise vastavuse eest.
- Osaleja: Nikolaev Vladimir Sergejevitš
- Juht: Suleimanova Alfiya Saifullovna
Sissejuhatus
Praegusel kõrgtehnoloogia ajastul on loodusteadustel inimeste elus üha suurem tähtsus. 21. sajandi inimesed toodavad ülitõhusaid arvuteid, nutitelefone ja uurivad meid ümbritsevat maailma aina sügavamale ja sügavamale. Arvan, et inimesed valmistuvad uueks teadus- ja tehnoloogiarevolutsiooniks, mis muudab meie tulevikku põhimõtteliselt. Kuid keegi ei tea, millal need muudatused aset leiavad. Iga inimene saab oma tööga selle päeva lähemale tuua.
See uurimistöö on minu väike panus füüsika arengusse.
Käesolev uurimistöö on pühendatud hetkel aktuaalsele teemale "Kapillaarsed nähtused". Elus puutume sageli kokku paljude väikeste kanalitega (paber, lõng, nahk, erinevad ehitusmaterjalid, muld, puit) läbistatud kehadega. Vee või muude vedelikega kokku puutudes imavad sellised kehad neid väga sageli endasse. See projekt näitab kapillaaride tähtsust elus- ja eluta organismide elus.
Uurimistöö eesmärk: põhjendada füüsika seisukohalt vedeliku kapillaaride kaudu liikumise põhjust, selgitada välja kapillaarnähtuste tunnused.
Uuritav objekt: vedelike omadus imenduda, tõusta või langeda läbi kapillaaride.
Uurimisaine: kapillaarnähtused elus- ja eluta looduses.
- Uurida teoreetilist materjali vedeliku omaduste kohta.
- Tutvuge kapillaarnähtuste materjaliga.
- Kapillaarides vedeliku tõusu põhjuse väljaselgitamiseks viige läbi rida katseid.
- Tehke kokkuvõte töö käigus uuritud materjalist ja sõnastage järeldus.
Enne kapillaarnähtuste uurimisega alustamist on vaja tutvuda vedeliku omadustega, mis mängivad kapillaarnähtustes olulist rolli.
Pind pinevus
Mõiste "pindpinevus" ise tähendab, et pinnal olev aine on "tihedas", st pingestatud olekus, mis on seletatav siserõhuks kutsutava jõu toimega. See tõmbab molekulid vedelikku selle pinnaga risti olevas suunas. Seega kogevad aine sisemistes kihtides paiknevad molekulid ümbritsevate molekulide poolt igas suunas keskmiselt sama külgetõmmet; pinnakihi molekulid on allutatud ebavõrdsele külgetõmbele ainete sisekihtide küljelt ja keskkonna pinnakihiga piirnevalt küljelt. Näiteks vedelik-õhk liidesel tõmbavad pinnakihis paiknevad vedelikumolekulid tugevamini vedeliku sisekihtide naabermolekulidest kui õhumolekulidest. See on põhjuseks, miks vedeliku pinnakihi omadused erinevad selle sisemiste mahtude omadustest.
Siserõhk põhjustab vedeliku pinnal asuvate molekulide tõmbamise sissepoole ja seeläbi kipub pinda antud tingimustes minimaalseks vähendama. Liidese pikkuse ühiku kohta mõjuvat jõudu, mis põhjustab vedeliku pinna kokkutõmbumist, nimetatakse pindpinevusjõuks või lihtsalt pindpinevuseks σ.
Erinevate vedelike pindpinevus ei ole sama, see sõltub nende molaarmahust, molekulide polaarsusest, molekulide võimest moodustada omavahel vesiniksidemeid jne.
Temperatuuri tõustes väheneb pindpinevus lineaarselt. Vedeliku pindpinevust mõjutavad ka selles sisalduvad lisandid. Pindpinevust vähendavaid aineid nimetatakse pindaktiivseteks aineteks (pindaktiivseteks aineteks). Veega seoses on pindaktiivsed ained naftasaadused, alkoholid, eeter, seep ja muud vedelad ja tahked ained. Mõned ained suurendavad pindpinevust. Näiteks soolade ja suhkru lisandid.
Seda selgitab MKT. Kui vedeliku enda molekulide vahelised tõmbejõud on suuremad kui pindaktiivse aine molekulide ja vedeliku vahelised tõmbejõud, siis liiguvad vedelikumolekulid pinnakihist sissepoole ja pindaktiivse aine molekulid surutakse pinnale välja. . On ilmne, et soola- ja suhkrumolekulid tõmmatakse vedelikku ning veemolekulid surutakse pinnale. Seega on pindpinevus, pinnanähtuste füüsika ja keemia põhimõiste, üks olulisemaid omadusi ka praktilises mõttes. Tuleb märkida, et kõik tõsised teaduslikud uuringud heterogeensete süsteemide füüsika valdkonnas nõuavad pindpinevuse mõõtmist. Pindpinevuste määramise eksperimentaalsete meetodite ajalugu, mis ulatub enam kui kahe sajandi taha, on jõudnud lihtsatest ja töötlemata meetoditest täppismeetoditeni, mis võimaldavad leida pindpinevusi sajandikprotsendilise täpsusega. Huvi selle probleemi vastu on eriti suurenenud viimastel aastakümnetel seoses inimese kosmosekäiguga, tööstusstruktuuri arenguga, kus sageli mängivad määravat rolli erinevates seadmetes esinevad kapillaarjõud.
Üks selline pindpinevuse määramise meetod põhineb märgava vedeliku tõstmisel kahe klaasplaadi vahele. Need tuleks langetada veega anumasse ja viia järk-järgult üksteisega paralleelselt kokku. Plaatide vahel hakkab vesi tõusma - seda tõmbab sisse pindpinevusjõud, millest oli eespool juttu. Pindpinevustegurit σ on lihtne arvutada vee tõusu kõrguse y ja plaatide vahelise pilu järgi d.
Pindpinevusjõud F= 2σ L, Kus L- plaadi pikkus (kaks ilmus tänu sellele, et vesi puutub kokku mõlema plaadiga). See jõud hoiab veemassi kihti m = ρ Ldu, kus ρ on vee tihedus. Seega 2σ L = ρ Ldug. Siit leiame pindpinevuste koefitsiendi σ = 1/2(ρ gdu). (1) Kuid seda on huvitavam teha: pigistage plaadid ühes otsas kokku ja jätke teisest otsast väike vahe.
Vesi tõuseb ja moodustab plaatide vahele üllatavalt korrapärase pinna. Selle pinna läbilõige vertikaaltasandil on hüperbool. Selle tõestamiseks piisab, kui asendada valemis (1) antud lünka d asemel uus avaldis. Vastavate kolmnurkade sarnasusest (vt joon. 2) d = D (x/L). Siin D- kliirens lõpus L on plaadi pikkus ja x- kaugus plaatide kokkupuutekohast kuni vahe ja taseme kõrguse määramise kohani. Seega σ = 1/2(ρ gu)D(x/L), või juures= 2σ L/ρ gD(1/ X). (2) Võrrand (2) on tõepoolest hüperboolne võrrand.
Niisutav ja mittemärgav
Kapillaarnähtuste üksikasjalikuks uurimiseks tuleks arvesse võtta ka mõningaid molekulaarseid nähtusi, mis esinevad tahkete, vedelate ja gaasiliste faaside kooseksisteerimise kolmefaasilisel piiril, eriti vedeliku kokkupuudet tahke kehaga. Kui vedeliku molekulide vahelised haardumisjõud on suuremad kui tahke keha molekulide vahel, siis kipub vedelik vähendama oma kokkupuute piiri (pindala) tahke kehaga, võimalusel sellest taandudes. Sellise vedeliku tilk tahke aine horisontaalsel pinnal on laanekuuli kuju. Sel juhul nimetatakse vedelikku mittemärguvaks tahkeks aineks. Tahke keha pinna ja vedeliku pinna puutuja poolt moodustatud nurka θ nimetatakse servanurgaks. Mittemärgumiseks θ > 90°. Sel juhul nimetatakse tahket pinda, mida vedelik ei niisuta, hüdrofoobseks või oleofiilseks. Kui vedeliku molekulide vahelised adhesioonijõud on väiksemad kui vedeliku ja tahke aine molekulide vahel, siis kipub vedelik suurendama tahke ainega kokkupuute piiri. Sel juhul nimetatakse vedelikku tahke aine niisutamiseks; kontaktnurk 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.
Märgutavus ja mittemärguvus on suhtelised mõisted: vedelik, mis niisutab üht tahket ainet, ei pruugi teist märgata. Näiteks vesi niisutab klaasi, kuid ei niisuta parafiini; Elavhõbe ei niisuta klaasi, küll aga niisutab vaske.
Märgumist tõlgendatakse tavaliselt pindpinevusjõudude toime tulemusena. Olgu pindpinevus õhk-vedeliku piiril σ 1,2, vedelik-tahke aine piiril σ 1,3 ja õhk-tahke aine piiril σ 2,3.
Niisutusperimeetri pikkuseühiku kohta mõjuvad kolm jõudu, mis on arvuliselt võrdsed σ 1,2, σ 2,3, σ 1,3 ja mis on suunatud tangentsiaalselt vastavatele liidestele. Tasakaalu korral peavad kõik jõud üksteist tasakaalustama. Jõud σ 2,3 ja σ 1,3 mõjuvad tahke keha pinna tasapinnas, jõud σ 1,2 on suunatud pinnale nurga θ all.
Liidespindade tasakaalutingimusel on järgmine vorm:
Cosθ väärtust nimetatakse tavaliselt märgumiseks ja seda tähistatakse tähega B.
Pinna seisukorral on teatav mõju märgumisele. Märgutavus muutub dramaatiliselt juba süsivesinike monomolekulaarse kihi juuresolekul. Viimaseid leidub atmosfääris alati piisavas koguses. Pinna mikroreljeef avaldab teatud mõju ka märgumisele. Siiani ei ole aga veel ilmnenud ühtki regulaarsust mis tahes pinna kareduse mõju kohta selle niisutamisele ühegi vedelikuga. Näiteks Wenzeli-Deryagini võrrand cosθ = x cosθ0 ühendab vedeliku kokkupuutenurgad karedatel (θ) ja siledatel (θ 0) pindadel krobelise keha tegeliku pinna pindala x ja selle projektsiooni tasapinnale suhtega. Praktikas seda võrrandit aga alati ei järgita. Seega vastavalt sellele võrrandile niisutamise korral (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 - selle suurenemisele (st suuremale hüdrofoobsusele). Sellest lähtuvalt antakse reeglina info kareduse mõju kohta märgumisele.
Paljude autorite arvates on vedeliku hajumise kiirus karedale pinnale väiksem seetõttu, et laotamise ajal kogeb vedelik tekkivate kareduse konaruste (harjade) edasilükkavat toimet. Tuleb märkida, et kapillaarides niisutamise peamise tunnusena kasutatakse laigu läbimõõdu muutumise kiirust, mille moodustab materjali puhtale pinnale sadestunud rangelt doseeritud vedelikutilk. Selle väärtus sõltub nii pinnanähtustest kui ka vedeliku viskoossusest, tihedusest ja lenduvusest.
On ilmne, et muude identsete omadustega viskoossem vedelik levib üle pinna kauem ja voolab seetõttu aeglasemalt läbi kapillaarkanali.
Kapillaarnähtused
Kapillaarnähtused, nähtuste kogum, mis on põhjustatud pindpinevusest segunematu keskkonna kokkupuutel (vedelik-vedelik, vedelik-gaas või aur süsteemides) pinnakõveruse juuresolekul. Pinnanähtuste erijuhtum.
Olles üksikasjalikult uurinud kapillaarnähtuste aluseks olevaid jõude, tasub minna otse kapillaaride juurde. Seega võib empiiriliselt jälgida, et kapillaari kaudu tõuseb märgav vedelik (näiteks vesi klaastorus). Sel juhul, mida väiksem on kapillaari raadius, seda kõrgemale vedelik selles tõuseb. Vedelik, mis ei niisuta kapillaaride seinu (näiteks elavhõbe klaastoruga), langeb laias anumas alla vedeliku taseme. Miks siis niisutusvedelik tõuseb läbi kapillaari, mittemärgav aga laskub alla?
Pole raske märgata, et vedeliku pind on veidi kõverdunud otse anuma seinte juures. Kui anuma seinaga kokkupuutuvad vedelikumolekulid interakteeruvad tahke keha molekulidega tugevamalt kui üksteisega, siis sel juhul kipub vedelik tahke kehaga kokkupuuteala suurendama (niisutav vedelik). Sel juhul paindub vedeliku pind allapoole ja väidetavalt niisutab selle anuma seinu, milles see asub. Kui vedeliku molekulid interakteeruvad üksteisega tugevamalt kui anuma seinte molekulidega, siis kipub vedelik vähendama kokkupuuteala tahke kehaga, selle pind kõverdub ülespoole. Sel juhul räägitakse anuma seinte mittemärgumisest vedeliku poolt.
Kitsates torudes, mille läbimõõt on millimeetri murdosa, katavad vedeliku kumerad servad kogu pinnakihi ja kogu vedeliku pind sellistes torudes on poolkera meenutava kujuga. See on nn menisk. See võib olla nõgus, mida märgatakse märgumise korral, ja kumer, kui seda ei niisutata. Vedeliku pinna kõverusraadius on samas suurusjärgus toru raadiusega. Niisuvaid ja mittemärguvaid nähtusi iseloomustab sel juhul ka kontaktnurk θ kapillaartoru niisutatud pinna ja meniski vahel nende kokkupuutepunktides.
Niisutusvedeliku nõgusa meniski all on rõhk väiksem kui tasase pinna all. Seetõttu tõuseb kitsas torus (kapillaaris) olev vedelik kuni tasase pinna tasemel kapillaari tõstetud vedeliku hüdrostaatiline rõhk rõhuerinevuse kompenseerib. Mittemärguva vedeliku kumera meniski all on rõhk suurem kui tasase pinna all ja see toob kaasa mittemärguva vedeliku vajumise.
Pindpinevusjõudude olemasolu ja vedeliku pinna kõverus kapillaartorus põhjustab kõvera pinna all tekkiva lisarõhu, mida nimetatakse Laplace'i rõhuks: ∆ lk= ± 2σ / R.
Kapillaarrõhu märk ("pluss" või "miinus") sõltub kõveruse märgist. Kumera pinna kõveruskese asub vastava faasi sees. Kumerad pinnad on positiivse kumerusega, nõgusad pinnad negatiivse kumerusega.
Seega määrab kapillaartorus oleva vedeliku tasakaalutingimuse võrdus
lk 0 = lk 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)
kus ρ on vedeliku tihedus, h on selle tõusu kõrgus torus, lk 0 - atmosfäärirõhk.
Sellest väljendist järeldub, et h= 2σ /ρ gR. (2)
Teisendame saadud valemi, väljendades kõverusraadiust R menisk läbi kapillaartoru raadiuse r.
Jooniselt fig. 6.18 järeldub sellest r = R cosθ . Asendades (1) väärtusega (2), saame: h= 2σ cosθ /ρ gr.
Saadud valemit, mis määrab kapillaartorus oleva vedeliku tõusu kõrguse, nimetatakse Jurini valemiks. Ilmselgelt, mida väiksem on toru raadius, seda kõrgemale vedelik selles tõuseb. Lisaks suureneb tõstekõrgus vedeliku pindpinevusteguri suurenemisega.
Niisutava vedeliku tõusu läbi kapillaari saab seletada ka teisiti. Nagu varem mainitud, kipub vedeliku pind pindpinevusjõudude toimel kokku tõmbuma. Selle tulemusena kipub nõgusa meniski pind sirguma ja tasaseks muutuma. Samal ajal tõmbab see enda all oleva vedeliku osakesed ja vedelik tõuseb kapillaari mööda üles. Kuid kitsas torus oleva vedeliku pind ei saa jääda tasaseks, see peab olema nõgusa meniski kujuga. Niipea kui antud pind võtab uues asendis meniski kuju, kipub see jälle kokku tõmbuma jne. Nendel põhjustel tõuseb märgav vedelik läbi kapillaari. Tõstmine peatub, kui ülestõstetud vedelikusamba gravitatsioonijõud, mis tõmbab pinda alla, tasakaalustab pindpinevusjõudude resultantjõu F, mis on suunatud tangentsiaalselt igasse pinnapunkti.
Mööda vedeliku pinna ja kapillaari seina kokkupuute ümbermõõtu mõjub pindpinevusjõud, mis on võrdne pindpinevusteguri ja ümbermõõdu korrutisega: 2σπ r, Kus r on kapillaari raadius.
Tõstetud vedelikule mõjuv gravitatsioonijõud on
F kiud = mg = ρ Vg = ρπ r^2hg
kus ρ on vedeliku tihedus; h on vedelikusamba kõrgus kapillaaris; g- gravitatsiooni paigutus.
Vedeliku tõus peatub, kui F kiud = F või ρπ r^2hg= 2σπ r. Sellest ka vedeliku tõusu kõrgus kapillaaris h= 2σ /ρ gR.
Mittemärguva vedeliku puhul vajub viimane oma pinda vähendada püüdes allapoole, surudes vedeliku kapillaarist välja.
Tuletatud valem on rakendatav ka mittemärguva vedeliku puhul. Sel juhul h on vedeliku kõrgus kapillaaris.
Kapillaarnähtused looduses
Kapillaarnähtused on ka looduses väga levinud ja neid kasutatakse sageli praktilises inimtegevuses. Puidul, paberil, nahal, tellistest ja paljudel muudel meid ümbritsevatel objektidel on kapillaare. Kapillaaride kaudu tõuseb vesi mööda taimede varsi ja imendub rätikusse, kui me sellega end kuivatame. Kapillaarnähtuste näideteks on ka vee tõus läbi suhkrutüki väikseimate aukude, sõrmest vere võtmine.
Inimese vereringesüsteem, alustades väga paksudest veresoontest, lõpeb väga ulatusliku kõige õhemate kapillaaride võrgustikuga. Huvi võivad pakkuda näiteks sellised andmed. Aordi ristlõike pindala on 8 cm2. Verekapillaari läbimõõt võib olla 50 korda väiksem inimese juuksekarva läbimõõdust pikkusega 0,5 mm. Täiskasvanud inimese kehas on umbes 160 miljardit kapillaari. Nende kogupikkus ulatub 80 tuhande km-ni.
Pinnases leiduvate arvukate kapillaaride kaudu tõuseb vesi sügavatest kihtidest pinnale ja aurustub intensiivselt. Niiskuse kadumise protsessi pidurdamiseks hävitatakse kapillaare, kobestades mulda äkete, kultivaatorite, rippide abil.
Praktiline osa
Võtke väga väikese sisediameetriga klaastoru ( 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.
Vedeliku tõusu vee pindpinevusjõudude toimel saab jälgida lihtsa katsega. Võtke puhas lapp ja kastke selle üks ots veeklaasi ja riputage teine üle klaasi serva. Vesi hakkab läbi kanga pooride kerkima sarnaselt kapillaartorudele ja leotab kogu riide. Rippuvast otsast tilgub liigne vesi (vt foto 2).
Kui võtta katseks heledat värvi kangast, siis on fotol väga halvasti näha, kuidas vesi läbi kanga levib. Samuti pidage meeles, et mitte kõikide kangaste rippuvast otsast ei tilgu liigset vett. Olen seda katset teinud kaks korda. Esimest korda kasutasime heledat kangast (puuvillane jersey); rippuvast otsast tilkus vett väga hästi. Teisel korral kasutati tumedat kangast (segakiududest – puuvillast ja sünteetikast kudum); oli hästi näha, kuidas vesi kangale laiali valgub, aga rippuvast otsast tilgad ei tilkunud.
Vedeliku tõus läbi kapillaaride toimub siis, kui vedeliku molekulide üksteise külgetõmbejõud on väiksemad kui nende tõmbejõud tahke aine molekulide suhtes. Sel juhul öeldakse, et vedelik niisutab tahket ainet.
Kui võtta mitte väga õhuke toru, täita see veega ja sulgeda toru alumine ots sõrmega, siis on näha, et veetase torus on nõgus (joon. 9).
See on tingitud asjaolust, et veemolekulid tõmbavad tugevamini anuma seinte molekulide kui üksteise külge.
Mitte kõik vedelikud ja mitte üheski torus ei "kleepu" seinte külge. Samuti juhtub, et kapillaaris olev vedelik langeb allapoole laia anuma taset, samal ajal kui selle pind on kumer. Väidetavalt ei niisuta selline vedelik tahke aine pinda. Vedelate molekulide külgetõmme üksteise poole on tugevam kui anuma seinte molekulide külge. Nii käitub näiteks elavhõbe klaaskapillaaris. (Joonis 10)
Järeldus
Seega veendusin selle töö käigus, et:
- Kapillaarnähtused mängivad looduses olulist rolli.
- Vedeliku tõus kapillaaris jätkub seni, kuni kapillaaris olevale vedelikusambale mõjuv raskusjõud muutub absoluutväärtuselt võrdseks tekkiva jõuga.
- Niisutav vedelik kapillaarides tõuseb üles ja mittemärgav vedelik langeb alla.
- Vedeliku tõusu kõrgus kapillaaris on otseselt võrdeline selle pindpinevusega ja pöördvõrdeline kapillaarikanali raadiusega ja vedeliku tihedusega.
Pindpinevuste ja vedelike märgumise abil seletatavate protsesside hulgast tasub esile tõsta kapillaarnähtusi. Füüsika on salapärane ja erakordne teadus, ilma milleta oleks elu Maal võimatu. Vaatame selle olulise distsipliini kõige ilmekamat näidet.
Elupraktikas on sellised füüsika seisukohalt huvitavad protsessid kapillaarnähtustena üsna levinud. Asi on selles, et igapäevaelus ümbritseb meid palju kehasid, mis imavad kergesti vedelikku. Selle põhjuseks on nende poorne struktuur ja elementaarsed füüsikaseadused ning tulemuseks on kapillaarnähtused.
Kitsad torud
Kapillaar on väga kitsas toru, milles vedelik käitub teatud viisil. Looduses on palju näiteid sellistest anumatest - vereringesüsteemi kapillaarid, poorsed kehad, pinnas, taimed jne.
Kapillaarnähtus on vedelike tõus või langus läbi kitsaste torude. Selliseid protsesse täheldatakse inimeste, taimede ja muude kehade looduslikes kanalites, aga ka spetsiaalsetes kitsastes klaasanumates. Pildil on näha, et erineva paksusega ühendustorudes on kehtestatud erinevad veetasemed. Tuleb märkida, et mida õhem on anum, seda kõrgem on veetase.
Need nähtused on rätiku imamisomaduste, taimede toitumise, tindi liikumise piki varda ja paljude muude protsesside aluseks.
Kapillaarnähtused looduses
Ülalkirjeldatud protsess on taimestiku säilitamiseks äärmiselt oluline. Pinnas on üsna kobe, selle osakeste vahel on tühimikud, mis on kapillaaride võrgustik. Vesi tõuseb nende kanalite kaudu, toites taimede juurestikku niiskuse ja kõigi vajalike ainetega.
Samade kapillaaride kaudu aurustub vedelik aktiivselt, mistõttu on vaja maad künda, mis hävitab kanalid ja säilitab toitaineid. Vastupidi, pressitud maa aurustab niiskust kiiremini. Selle põhjuseks on maa kündmise tähtsus, et säilitada aluspinnase vedelikku.
Taimedel tagab kapillaarsüsteem niiskuse tõusu väikestest juurtest kõige ülemistesse osadesse ning lehtede kaudu aurustub see väliskeskkonda.
Pindpinevus ja märgumine
Küsimus vedelike käitumisest anumates põhineb sellistel füüsikalistel protsessidel nagu pindpinevus ja märgumine. Nendest põhjustatud kapillaarnähtusi uuritakse kompleksis.
Pindpinevusjõu mõjul on kapillaarides olev niisutav vedelik üle taseme, millel see peaks olema ühenduses olevate anumate seaduse järgi. Vastupidi, mittemärgutav aine asub sellest tasemest allpool.
Niisiis tõuseb vesi klaastorus (niisutusvedelik) kõrgemale, mida õhem on anum. Vastupidi, elavhõbe klaastorus (mittemärgav vedelik) langeb seda madalamale, mida õhem see anum on. Lisaks, nagu pildil näidatud, moodustab niisutav vedelik nõgusa meniski kuju, mittemärguv vedelik aga kumera.
niisutamine
See on nähtus, mis ilmneb piiril, kus vedelik puutub kokku tahke ainega (teine vedelik, gaasid). See tekib molekulide erilise interaktsiooni tõttu nende kokkupuute piiril.
Täielik niisutamine tähendab, et tilk levib üle tahke aine pinna ja mittemärgumine muudab selle sfääriks. Praktikas kohtab kõige sagedamini üht või teist märgumisastet, mitte äärmuslikke võimalusi.
Pindpinevusjõud
Tilga pind on sfäärilise kujuga ja selle põhjuseks on vedelikele mõjuv seaduspärasus – pindpinevus.
Kapillaarnähtused on tingitud sellest, et torus oleva vedeliku nõgus pool kipub pindpinevusjõudude toimel sirguma tasaseks. Sellega kaasneb asjaolu, et välimised osakesed tõmbavad enda all olevaid kehasid ülespoole ja aine tõuseb mööda toru üles. Kapillaaris olev vedelik ei saa aga omandada pinna tasast kuju ja see tõusuprotsess jätkub kuni teatud tasakaalupunktini. Veesamba tõusu (languse) kõrguse arvutamiseks peate kasutama allpool esitatud valemeid.
Veesamba tõusu kõrguse arvutamine
Vee tõusu peatamise hetk kitsas torus tekib siis, kui raskusjõud Р aine kaal tasakaalustab pindpinevusjõudu F. See hetk määrab vedeliku tõusu kõrguse. Kapillaarnähtused on põhjustatud kahest mitmesuunalisest jõust:
- gravitatsioonijõu P ahela tõttu vajub vedelik alla;
- pindpinevus F surub vee üles.
Pindpinevusjõud, mis toimib piki ringi, kus vedelik puutub kokku toru seintega, on võrdne:
kus r on toru raadius.
Torus olevale vedelikule mõjuv gravitatsioonijõud on:
P ahel = ρπr2hg,
kus ρ on vedeliku tihedus; h on vedelikusamba kõrgus torus;
Niisiis, aine tõusu lõpetab, eeldusel, et P raske = F, mis tähendab, et
ρπr 2 hg = σ2πr,
seega on vedeliku kõrgus torus:
Samamoodi mittemärguva vedeliku puhul:
h on aine kukkumiskõrgus torus. Nagu valemitest näha, on kitsas anumas vee tõusu (langemise) kõrgus pöördvõrdeline anuma raadiuse ja vedeliku tihedusega. See kehtib niisutusvedeliku ja mitteniiskumise kohta. Muudel tingimustel tuleb teha meniski kuju korrigeerimine, mida tutvustatakse järgmises peatükis.
Laplace'i rõhk
Nagu juba märgitud, käitub kitsastes torudes olev vedelik nii, et jääb mulje, et see rikub anumate suhtlemise seadust. See asjaolu kaasneb alati kapillaarsete nähtustega. Füüsika selgitab seda laplasia rõhu abil, mis on suunatud niisutava vedelikuga ülespoole. Väga kitsa toru vette langetades jälgime, kuidas vedelik tõmmatakse teatud tasemele h. Ühendavate laevade seaduse järgi pidi see tasakaalustama välise veetasemega.
See lahknevus on seletatav Laplacia rõhu suunaga p l:
Sel juhul on see suunatud ülespoole. Vesi tõmmatakse torusse tasemeni, kus see tasakaalustab veesamba hüdrostaatilise rõhu p g:
ja kui p l \u003d p g, siis saate võrrandi kaks osa võrdsustada:
Nüüd on kõrgust h lihtne tuletada valemiga:
Kui märgumine on lõppenud, on vee nõgusa pinna moodustav menisk poolkera kujuga, kus Ɵ=0. Sel juhul on sfääri R raadius võrdne kapillaari r siseraadiusega. Siit saame:
Ja mittetäieliku niisutamise korral, kui Ɵ≠0, saab sfääri raadiuse arvutada järgmise valemiga:
Siis on nõutav kõrgus nurga korrigeerimisega võrdne:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
Esitatud võrranditest on näha, et kõrgus h on pöördvõrdeline toru siseraadiusega r. Vesi saavutab suurima kõrguse inimese juuksekarva läbimõõduga anumates, mida nimetatakse kapillaarideks. Nagu teate, tõmmatakse niisutusvedelik üles ja mittemärgav vedelik surutakse alla.
Eksperimenti saab teha ühendussoonte võtmisega, kus üks neist on lai ja teine väga kitsas. Sellesse vett valades võib märgata erinevat vedeliku taset ja märgava ainega variandis on kitsas torus tase kõrgem ja mittemärguva puhul madalam.
Kapillaarnähtuste tähtsus
Ilma kapillaarnähtusteta on elusorganismide olemasolu lihtsalt võimatu. Inimkeha saab hapnikku ja toitaineid kõige väiksemate veresoonte kaudu. Taimejuured on kapillaaride võrgustik, mis tõmbab niiskust maapinnast ülemiste lehtedeni.
Lihtne majapidamispuhastus on võimatu ilma kapillaarnähtusteta, sest selle põhimõtte kohaselt imab kangas vett. Rätik, tint, taht õlilambis ja paljud seadmed töötavad sellel alusel. Kapillaarnähtused tehnoloogias mängivad olulist rolli poorsete kehade kuivamisel ja muudes protsessides.
Mõnikord põhjustavad samad nähtused soovimatuid tagajärgi, näiteks imavad tellise poorid niiskust. Hoonete niiskuse vältimiseks põhjavee mõjul on vaja vundamenti kaitsta hüdroisolatsioonimaterjalide abil - bituumen, katusepapp või katusepapp.
Ka riiete märjaks saamine vihma ajal, püksid kuni põlvini lompidest läbikäimisest on samuti tingitud kapillaarnähtustest. Selle loodusnähtuse kohta on meie ümber palju näiteid.
Katsetage värvidega
Näiteid kapillaarnähtuste kohta võib leida loodusest, eriti mis puudutab taimi. Nende tüvedes on sees palju väikeseid anumaid. Saate katsetada lille värvimist kapillaarnähtuste tagajärjel mis tahes ereda värviga.
Tuleb võtta erksavärviline vesi ja valge õis (või Pekingi kapsa leht, sellerivars) ning panna see selle vedelikuga klaasi. Mõne aja pärast saate Pekingi kapsa lehtedel jälgida, kuidas värv ülespoole liigub. Taime värv muutub järk-järgult vastavalt värvile, millesse see asetatakse. See on tingitud aine liikumisest mööda tüvesid vastavalt seadustele, mida oleme selles artiklis käsitlenud.
Muutke taset torudes, suvalise kujuga kitsastes kanalites, poorsetes kehades. Vedeliku tõus tekib siis, kui kanalid on niisutatud vedelikega, näiteks vesi klaastorudes, liiv, pinnas jne. Vedeliku vähenemine toimub torudes ja kanalites, mida vedelik ei niisuta, näiteks elavhõbe klaasist toru.
Kapillaarsuse alusel lähtutakse loomade ja taimede elutegevusest, keemiatehnoloogiatest ja igapäevastest nähtustest (näiteks petrooleumi tõstmine petrooleumilambis mööda tahti, käterätiga pühkimine). Mulla kapillaarsuse määrab vee pinnases tõusu kiirus ja see sõltub mullaosakeste vahede suurusest.
Õhukesi torusid nimetatakse kapillaarideks, samuti inimkeha ja teiste loomade kõige õhemaid veresooni (vt Kapillaar (bioloogia)).
Vaata ka
Kirjandus
- Prokhorenko P. P. Ultraheli kapillaarefekt / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunov, G. E. Konovalov; Ed. V. V. Klubovitš. 135 lk. Minsk: Teadus ja tehnoloogia, 1981.
Lingid
- Gorin Yu. V. Leiutusülesannete lahendamisel kasutatavate füüsikaliste mõjude ja nähtuste indeks (TRIZ-tööriist) // Peatükk. 1.2 Vedelike pindpinevus. Kapillaarsus.
Wikimedia sihtasutus. 2010 .
Vaadake, mis on "Capillar (physics)" teistes sõnaraamatutes:
Sõna kapillaar tähistab väga kitsaid torusid, millest vedelik läbi pääseb. Lisateavet leiate artiklist Kapillaarefekt. Kapillaar (bioloogia) Väikseim veresoone tüüp. Kapillaar (füüsika) Kapillaar ... ... Wikipedia
Landau ülivoolavuse kriteerium on süsteemi elementaarergastuste (fonoonide) energiate ja momentide suhe, mis määrab selle ülivoolavas olekus olemise võimaluse. Sisu 1 Kriteeriumi sõnastus 2 Kriteeriumi tuletamine ... Wikipedia
Kaubanduslike jahutusseadmete välised jaotatud süsteemid ja kondensaatorid (ventilaatorjahutustornid) ühel riiulil Kliima- ja külmutusseadmete seadmed, mis põhinevad külmutusmasinate tööl ... Wikipedia
Gaasi temperatuuri muutus selle aeglase voolu tagajärjel pideva rõhulanguse mõjul läbi drosselklapi on gaasivoolu lokaalne takistus (teel olevas torus paiknev kapillaar, klapp või poorne vahesein ... .. .
See on värvitu läbipaistev vedelik, mis keeb atmosfäärirõhul temperatuuril 4,2 K (vedelik 4He). Vedela heeliumi tihedus temperatuuril 4,2 K on 0,13 g/cm³. Sellel on madal murdumisnäitaja, tänu ... ... Wikipediale
Väljavooluefekt, rõhuerinevuse Δp ilmnemine ülivedelikus, mis on tingitud temperatuuride erinevusest ΔT (vt Superfluidity). T. e. avaldub vedelas ülivedelikus heeliumis vedeliku tasemete erinevuses kahes anumas, ... ... Suur Nõukogude entsüklopeedia
Igaüks meist võib kergesti meelde tuletada paljusid aineid, mida ta peab vedelikuks. Selle aine oleku täpset määratlust pole aga nii lihtne anda, kuna vedelikel on sellised füüsikalised omadused, et mõnes mõttes ... ... Collier Encyclopedia
Kapillaarsus (ladina keelest capillaris hair), kapillaarefekt on füüsiline nähtus, mis seisneb vedelike võimes muuta taset torudes, suvalise kujuga kitsastes kanalites, poorsetes kehades. Vedeliku tõus esineb juhtudel ... ... Wikipedia
