Zjawiska kapilarne, zjawiska powierzchniowe na styku cieczy z innym ośrodkiem związane z krzywizną jego powierzchni. Zakrzywienie powierzchni cieczy na granicy z fazą gazową następuje w wyniku działania napięcia powierzchniowego cieczy, które ma tendencję do skracania granicy faz i nadawania ograniczonej objętości cieczy kształtu kulistego. Ponieważ kula ma minimalną powierzchnię dla danej objętości, kształt ten odpowiada minimalnej energii powierzchniowej cieczy, tj. jego stabilny stan równowagi. W przypadku odpowiednio dużych mas cieczy działanie napięcia powierzchniowego jest kompensowane przez grawitację, dzięki czemu ciecz o małej lepkości szybko przyjmuje kształt naczynia, do którego jest wlewana i jest swobodna. powierzchnia wydaje się prawie płaska.
W przypadku braku grawitacji lub w przypadku bardzo małych mas ciecz zawsze przyjmuje kształt kulisty (kropla), którego krzywizna powierzchni jest określona liczbą mnogą. właściwości materii. Dlatego zjawiska kapilarne są wyraźnie wyrażone i odgrywają znaczącą rolę w warunkach nieważkości, podczas kruszenia cieczy w środowisku gazowym (lub atomizacji gazu w cieczy) i tworzenia układów składających się z wielu kropel lub pęcherzyków (emulsje, aerozole , pieni się), podczas pojawiania się nowej fazy kropelek cieczy podczas kondensacji par, pęcherzyków pary podczas wrzenia, zarodków krystalizacji. Kiedy ciecz styka się ze skondensowanymi ciałami (inną cieczą lub ciałem stałym), w wyniku napięcia międzyfazowego następuje krzywizna granicy faz.
Na przykład w przypadku zwilżania, gdy ciecz styka się ze ścianką naczynia, siły przyciągania działające pomiędzy cząsteczkami ciała stałego i cieczy powodują jej unoszenie się wzdłuż ścianki naczynia, w wyniku czego z których część powierzchni cieczy przylegająca do ścianki przyjmuje kształt wklęsły. W wąskich kanałach, na przykład cylindrycznych kapilarach, tworzy się wklęsły menisk - całkowicie zakrzywiona powierzchnia cieczy (ryc. 1).
Ryż. 1. Kapilarny wzrost do wysokości H ciecz zwilżająca ścianki kapilary o promieniu R; q jest kątem zwilżania.
Ciśnienie kapilarne.
Ponieważ siły napięcia powierzchniowego (międzyfazowego) są skierowane stycznie do powierzchni cieczy, krzywizna tej ostatniej prowadzi do pojawienia się składowej skierowanej w objętość cieczy. W rezultacie powstaje ciśnienie kapilarne, którego wartość Dp jest powiązana ze średnim promieniem krzywizny powierzchni r 0 za pomocą równania Laplace'a:
DP = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)
gdzie p 1 i p 2 - ciśnienie w cieczy 1 i sąsiedniej fazie 2 (gazu lub cieczy), s 12 - napięcie powierzchniowe (międzyfazowe).
Jeśli powierzchnia cieczy jest wklęsła (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) znak Dp jest odwrócony. Ujemne ciśnienie kapilarne, które występuje, gdy ścianki kapilary są zwilżone cieczą, powoduje, że ciecz będzie zasysana do kapilary aż do momentu, gdy ciężar słupa cieczy będzie wysoki H nie zrównoważy różnicy ciśnień Dp. W stanie równowagi wysokość wznoszenia kapilarnego określa się ze wzoru Jurina:
gdzie r 1 i r 2 to gęstości cieczy 1 i ośrodka 2, g to przyspieszenie ziemskie, r to promień kapilary, q to kąt zwilżania. Dla cieczy, które nie zwilżają ścianek kapilar, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
Z wyrażenia (2) wynika definicja stałej kapilarnej cieczy A= 1/2. Ma wymiar długości i charakteryzuje się wymiarem liniowym Z[A, przy którym zjawiska kapilarne stają się znaczące.Tak więc dla wody o temperaturze 20 ° C a = 0,38 cm Przy słabej wartości grawitacji (g: 0). A wzrasta. W obszarze kontaktu cząstek kondensacja kapilarna prowadzi do skurczu cząstek pod działaniem obniżonego ciśnienia Dp< 0.
Równanie Kelvina.
Zakrzywienie powierzchni cieczy powoduje zmianę ciśnienia pary nad nią R w porównaniu do ciśnienia pary nasyconej ps nad płaską powierzchnią w tej samej temperaturze T. Zmiany te opisuje równanie Kelvina:
gdzie jest objętością molową cieczy, R jest stałą gazową. Spadek lub wzrost prężności pary zależy od znaku krzywizny powierzchni: powyżej powierzchni wypukłych (r 0 > 0) p>ps; ponad wklęsły (r 0< 0) R< р s . . W ten sposób nad kropelkami wzrasta prężność pary; wręcz przeciwnie, w bąbelkach jest zmniejszony.
Na podstawie równania Kelvina oblicza się wypełnienie kapilar lub ciał porowatych kondensacja kapilarna. Ponieważ wartości R są różne dla cząstek o różnych rozmiarach lub dla obszarów powierzchni, które mają wgłębienia i występy, równanie (3) określa również kierunek przenoszenia materii podczas przejścia układu do stanu równowagi. Prowadzi to w szczególności do tego, że stosunkowo duże krople lub cząstki rosną w wyniku odparowania (rozpuszczenia) mniejszych, a nierówności powierzchni ciał niekrystalicznych ulegają wygładzeniu w wyniku rozpuszczenia występów i zagojenia zagłębień. Zauważalne różnice w prężności pary i rozpuszczalności występują tylko przy wystarczająco małym r 0 (na przykład dla wody przy r 0). Dlatego równanie Kelvina jest często używane do charakteryzowania stanu układów koloidalnych i ciał porowatych oraz zachodzących w nich procesów.
Ryż. 2. Ruch cieczy na pewnej długości l w kapilarze o promieniu r; q - kąt zwilżania.
Impregnacja kapilarna.
Spadek ciśnienia pod łąkotkami wklęsłymi jest jedną z przyczyn kapilarnego ruchu cieczy w kierunku łąkotek o mniejszym promieniu krzywizny. Szczególnym przypadkiem jest impregnacja ciał porowatych – samoistne wchłanianie cieczy do liofilowych porów i naczyń włosowatych (ryc. 2). Prędkość w ruch menisku w kapilarze położonej poziomo (lub w bardzo cienkiej kapilarze pionowej, gdy wpływ grawitacji jest niewielki) określa równanie Poiseuille'a:
Gdzie l– długość odcinka zaabsorbowanej cieczy, h – jej lepkość, Dp – spadek ciśnienia na przekroju l, równe ciśnieniu kapilarnemu menisku: Dp = - 2s 12 cos q/r. Jeżeli kąt zwilżania q nie zależy od prędkości v, możesz obliczyć ilość płynu wchłoniętego w czasie T ze stosunku:
l(T) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Jeśli q jest funkcją w, To l I w są połączone bardziej złożonymi zależnościami.
Równania (4) i (5) służą do obliczania szybkości impregnacji drewna podczas stosowania środków antyseptycznych, barwienia tkanin, stosowania katalizatorów do ośrodków porowatych, ługowania i ekstrakcji dyfuzyjnej cennych składników skał itp. Aby przyspieszyć impregnację, stosuje się środki powierzchniowo czynne. często stosowane, które poprawiają zwilżanie poprzez zmniejszenie kąta zwilżania q. Jedną z możliwości impregnacji kapilarnej jest wyparcie jednej cieczy z ośrodka porowatego przez inną, która nie miesza się z pierwszą i lepiej zwilża powierzchnię porów. Na tej podstawie powstają m.in. metody ekstrakcji ropy naftowej ze złóż wodnymi roztworami środków powierzchniowo czynnych oraz metody porozymetrii rtęciowej. Absorpcję kapilarną do porów roztworów i wypieranie niemieszających się cieczy z porów, której towarzyszy adsorpcja i dyfuzja składników, rozpatrywane są za pomocą hydrodynamiki fizykochemicznej.
Oprócz opisanych stanów równowagi cieczy i jej ruchu w porach i kapilarach, zjawiska kapilarne obejmują także stany równowagi bardzo małych objętości cieczy, w szczególności cienkich warstw i folii. Te zjawiska kapilarne są często nazywane zjawiskami kapilarnymi typu II. Charakteryzują się one między innymi zależnością napięcia powierzchniowego cieczy od promienia kropel oraz napięcia liniowego. Zjawiska kapilarne po raz pierwszy badali Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (XVII w.) i J. Jurin (XVIII w.) w doświadczeniach z rurkami kapilarnymi. Teorię zjawisk kapilarnych rozwinęli prace P. Laplace'a (1806), T. Younga (1804), A. Yu Davydova (1851), J. W. Gibbsa (1876), I. S. Gromeki (1879, 1886). Rozwój teorii zjawisk kapilarnych drugiego rodzaju rozpoczął się od prac B.V. Deryagina i L.M. Shcherbakova.
Podczas zwilżania następuje krzywizna powierzchni, zmieniająca właściwości warstwy wierzchniej. Istnienie nadmiaru energii swobodnej na zakrzywionej powierzchni prowadzi do tzw. zjawisk kapilarnych – bardzo unikalnych i ważnych.
Przeprowadźmy najpierw badanie jakościowe na przykładzie bańki mydlanej. Jeżeli w procesie wydmuchiwania bańki otworzymy koniec tuby, zobaczymy, że bańka znajdująca się na jej końcu zmniejszy się i zostanie wciągnięta do tuby. Ponieważ powietrze z otwartego końca łączyło się z atmosferą, aby utrzymać stan równowagi bańki mydlanej, konieczne było, aby ciśnienie wewnątrz było większe niż na zewnątrz. Jeśli podłączysz rurkę do monometru, rejestrowana jest na niej pewna różnica poziomów - nadciśnienie DP w fazie objętościowej gazu po wklęsłej stronie powierzchni pęcherzyka.
Ustalmy ilościową zależność pomiędzy DP a promieniem krzywizny powierzchni 1/r pomiędzy dwiema fazami objętościowymi, które są w stanie równowagi i są rozdzielone powierzchnią kulistą. (na przykład pęcherzyk gazu w cieczy lub kropla cieczy w fazie gazowej). Aby to zrobić, używamy ogólnego termodynamicznego wyrażenia na energię swobodną pod warunkiem T = const i braku przejścia materii z jednej fazy do drugiej dn i = 0. W stanie równowagi zmiany powierzchni ds i objętości dV są możliwe. Niech V wzrośnie o dV, a s o ds. Następnie:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
W równowadze dF = 0. Biorąc pod uwagę fakt, że dV 1 = dV 2, znajdujemy:
P 1 - P 2 = s ds/dV.
Zatem P 1 > P 2 . Biorąc pod uwagę, że V 1 = 4/3 p r 3, gdzie r jest promieniem krzywizny, otrzymujemy:
Podstawienie daje równanie Laplace'a:
P 1 - P 2 = 2 s/r. (1)
W bardziej ogólnym przypadku, dla elipsoidy obrotowej o głównych promieniach krzywizny r 1 i r 2, sformułowane jest prawo Laplace'a:
P 1 - P 2 = s/(1/R 1 - 1/R 2).
Dla r 1 = r 2 otrzymujemy (1), dla r 1 = r 2 = ¥ (płaszczyzna) P 1 = P 2 .
Różnica DP nazywana jest ciśnieniem kapilarnym. Rozważmy fizyczne znaczenie i konsekwencje prawa Laplace'a, będącego podstawą teorii zjawisk kapilarnych.Równanie pokazuje, że różnica ciśnień w fazach objętościowych rośnie wraz ze wzrostem si i malejącym promieniem krzywizny. Zatem im większe rozproszenie, tym większe ciśnienie wewnętrzne cieczy o kulistej powierzchni. Na przykład dla kropli wody w fazie gazowej przy r = 10 -5 cm, DP = 2. 73. 10 5 dyn/cm 2 » 15 at. Zatem ciśnienie wewnątrz kropli w porównaniu do pary jest o 15 atm wyższe niż w fazie parowej. Należy pamiętać, że niezależnie od stanu skupienia faz, w stanie równowagi ciśnienie po stronie wklęsłej powierzchni jest zawsze większe niż po stronie wypukłej. Uran jest podstawą doświadczalnego pomiaru s stosując metodę maksymalnego ciśnienia pęcherzykowego. Jedną z najważniejszych konsekwencji istnienia ciśnienia kapilarnego jest wzrost poziomu cieczy w kapilarze.
Zjawiska kapilarne obserwuje się w cieczach
W wąskich naczyniach, w których odległość między ściankami jest proporcjonalna do promienia krzywizny powierzchni cieczy. Krzywizna powstaje w wyniku interakcji cieczy ze ściankami naczynia. Specyficzne zachowanie cieczy w naczyniach kapilarnych zależy od tego, czy ciecz zwilża, czy nie zwilża ścianki naczynia, a dokładniej od wartości kąta zwilżania.
Rozważmy położenie poziomów cieczy w dwóch kapilarach, z których jedna ma powierzchnię liofilową i dlatego jej ścianki są zwilżone, a druga ma powierzchnię liofobową i nie jest zwilżona. W pierwszej kapilarze powierzchnia ma ujemną krzywiznę. Dodatkowe ciśnienie Laplace'a ma tendencję do rozciągania cieczy. (nacisk skierowany jest w stronę środka krzywizny). Ciśnienie pod powierzchnią jest niższe niż ciśnienie na płaskiej powierzchni. W efekcie powstaje siła wyporu unosząca ciecz w kapilarze do momentu, aż ciężar kolumny zrównoważy działającą siłę.W drugiej kapilarze krzywizna powierzchni jest dodatnia, w efekcie do cieczy kierowane jest dodatkowe ciśnienie , ciecz w kapilarze opada.
W równowadze ciśnienie Laplace'a jest równe ciśnieniu hydrostatycznemu słupa cieczy o wysokości h:
DP = ± 2s/r = (r - r o) gh, gdzie r, r o to gęstości fazy ciekłej i gazowej, g to przyspieszenie ziemskie, r to promień menisku.
Aby powiązać wysokość wzniosu kapilarnego z charakterystyką zwilżania, promień menisku zostanie wyrażony jako kąt zwilżania Q i promień kapilary r 0. Jasne jest, że r 0 = r cosQ, wysokość podniesienie kapilarne będzie wyrażone w postaci (wzór Jurina):
h = 2sсosQ / r 0 (r - r 0)g
W przypadku braku zwilżenia 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.
Podciąganie kapilarne cieczy wyjaśnia szereg dobrze znanych zjawisk i procesów: impregnacja papieru i tkanin spowodowana jest podciąganiem kapilarnym cieczy w porach. Wodoodporność tkanin zapewnia ich hydrofobowość – konsekwencja ujemnego podciągania kapilarnego. Podnoszenie wody z gleby następuje na skutek budowy gleby i zapewnia istnienie roślinności ziemskiej, podnoszenie wody z gleby wzdłuż pni roślin następuje na skutek włóknistej struktury drewna, procesu krążenia krwi w naczyniach krwionośnych, wzrost wilgoci w ścianach budynku (ułożona jest hydroizolacja) itp.
Reaktywność termodynamiczna (t.r.s.).
Charakteryzuje zdolność substancji do przejścia w inny stan, na przykład w inną fazę, lub wejścia w reakcję chemiczną. Wskazuje odległość danego układu od stanu równowagi w danych warunkach. T.r.s. określa się na podstawie powinowactwa chemicznego, które można wyrazić zmianą energii Gibbsa lub różnicą potencjałów chemicznych.
R.s zależy od stopnia dyspersji substancji. Zmiana stopnia dyspersji może prowadzić do przesunięcia fazy lub równowagi chemicznej.
Odpowiedni przyrost energii Gibbsa dG d (w wyniku zmiany dyspersji) można przedstawić jako połączone równanie pierwszej i drugiej zasady termodynamiki: dG d = -S dT + V dp
Dla pojedynczej substancji V = V mol i przy T = const mamy: dG d = V mol dp lub DG d = V mol Dp
Podstawiając zależność Laplace'a do tego równania, otrzymujemy dG d = s V mol ds/dV
dla krzywizny sferycznej: dG d =±2 s V mol /r (3)
Równania pokazują, że wzrost reaktywności w wyniku zmiany dyspersji jest proporcjonalny do krzywizny powierzchni, czyli dyspersji.
Jeśli weźmie się pod uwagę przejście substancji z fazy skondensowanej do fazy gazowej, wówczas energię Gibbsa można wyrazić jako prężność pary, przyjmując ją jako idealną. Następnie dodatkowa zmiana energii Gibbsa związana ze zmianą dyspersji wynosi:
dG d = RT ln (p d / p s) (4), gdzie p d i p s to ciśnienie pary nasyconej na zakrzywionych i płaskich powierzchniach.
Podstawiając (4) do (3) otrzymujemy: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r
Zależność nazywa się równaniem Kelvina-Thomsona. Z tego równania wynika, że przy dodatniej krzywiźnie ciśnienie pary nasyconej nad zakrzywioną powierzchnią będzie tym większe, im większa jest krzywizna, tj. mniejszy promień kropli. Na przykład dla kropli wody o promieniu r = 10 -5 cm (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, tj. 1%. Ta konsekwencja prawa Kelvina-Thomsona pozwala przewidzieć zjawisko destylacji izotremicznej, która polega na odparowaniu najmniejszych kropli i kondensacji pary na większych kroplach i na płaskiej powierzchni.
Przy ujemnej krzywiźnie, która występuje w kapilarach podczas zwilżania, uzyskuje się odwrotną zależność: ciśnienie pary nasyconej nad zakrzywioną powierzchnią (powyżej kropli) maleje wraz ze wzrostem krzywizny (wraz ze zmniejszającym się promieniem kapilary). Tak więc, jeśli ciecz zwilża kapilarę, wówczas kondensacja par w kapilarze następuje przy niższym ciśnieniu niż na płaskiej powierzchni. Dlatego równania Kelvina są często nazywane równaniami kondensacji kapilarnej.
Rozważmy wpływ dyspersji cząstek na ich rozpuszczalność. Biorąc pod uwagę, że zmiana energii Gibbsa wyraża się rozpuszczalnością substancji w różnych stanach rozproszonych, podobnie jak w zależności (4), otrzymujemy dla nieelektrolitów:
ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r gdzie c d i c a oznaczają rozpuszczalność substancji w stanie silnie rozproszonym oraz rozpuszczalność w równowadze z dużymi cząstkami tej substancji
Dla elektrolitu, który w roztworze dysocjuje na jony, możemy napisać (pomijając współczynniki aktywności):
ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol /RT r, gdzie a d i a s to aktywności elektrolitu w roztworach nasyconych w odniesieniu do stanu silnie i grubo rozproszonego. Z równań wynika, że wraz ze wzrostem dyspersji wzrasta rozpuszczalność, czyli potencjał chemiczny cząstek układu rozproszonego jest większy od potencjału dużej cząstki o 2 s V mol/r. Jednocześnie rozpuszczalność zależy od znaku krzywizny powierzchni, co oznacza, że jeśli cząstki ciała stałego mają nieregularny kształt z dodatnią i ujemną krzywizną i znajdują się w roztworze nasyconym, to obszary o dodatniej krzywiźnie rozpuszczą się, a obszary z ujemną krzywizną będzie rosnąć. W rezultacie cząstki substancji rozpuszczalnej z czasem uzyskują całkowicie określony kształt, odpowiadający stanowi równowagi.
Stopień dyspersji może również wpływać na równowagę reakcji chemicznej: - DG 0 d = RT ln (K d / K), gdzie DG 0 d to wzrost powinowactwa chemicznego w wyniku dyspersji, K d i K to stałe równowagi reakcji z udziałem substancji rozproszonych i niezdyspergowanych.
Wraz ze wzrostem dyspersji wzrasta aktywność składników i zgodnie z tym stała równowagi chemicznej zmienia się w tym czy innym kierunku, w zależności od stopnia dyspersji substancji wyjściowych i produktów reakcji. Na przykład w przypadku reakcji rozkładu węglanu wapnia: CaCO 3 « CaO + CO 2
Wzrost dyspersji początkowego węglanu wapnia przesuwa równowagę w prawo i wzrasta ciśnienie dwutlenku węgla nad układem. Zwiększanie dyspersji tlenku wapnia prowadzi do odwrotnego rezultatu.
Z tego samego powodu wraz ze wzrostem dyspersji połączenie między wodą krystalizacyjną a substancją słabnie. Zatem makrokryształ Al 2 O 3. 3H 2 O oddaje wodę w temperaturze 473 K, natomiast w osadzie cząstek o wielkości koloidalnej krystaliczny hydrat rozkłada się w temperaturze 373 K. Złoto nie oddziałuje z kwasem solnym, a złoto koloidalne się w nim rozpuszcza. Grubo rozproszona siarka nie reaguje zauważalnie z solami srebra, a siarka koloidalna tworzy siarczek srebra.
Uwaga! Administracja witryny nie ponosi odpowiedzialności za treść zmian metodologicznych, a także za zgodność rozwoju z federalnym stanowym standardem edukacyjnym.
- Uczestnik: Nikołajew Władimir Siergiejewicz
- Kierownik: Suleymanova Alfiya Sayfullovna
Wstęp
W dobie wysokich technologii nauki przyrodnicze odgrywają coraz większą rolę w życiu człowieka. Ludzie XXI wieku produkują superwydajne komputery, smartfony i coraz głębiej badają otaczający nas świat. Myślę, że ludzie przygotowują się na nową rewolucję naukową i technologiczną, która radykalnie zmieni naszą przyszłość. Nikt jednak nie wie, kiedy te zmiany nastąpią. Każdy może swoją pracą przybliżyć ten dzień.
Ta praca badawcza jest moim małym wkładem w rozwój fizyki.
Niniejsza praca badawcza poświęcona jest aktualnie aktualnemu tematowi „Zjawiska kapilarne”. W życiu często mamy do czynienia z ciałami, do których przenika wiele małych kanałów (papier, przędza, skóra, różne materiały budowlane, ziemia, drewno). Kiedy takie ciała wchodzą w kontakt z wodą lub innymi cieczami, często je wchłaniają. Projekt ten pokazuje znaczenie naczyń włosowatych w życiu organizmów żywych i nieożywionych.
Cel pracy badawczej: uzasadnienie z fizycznego punktu widzenia przyczyny ruchu cieczy przez kapilary, identyfikacja cech zjawisk kapilarnych.
Przedmiot badań: właściwość cieczy po wchłonięciu do wznoszenia się lub opadania przez kapilary.
Przedmiot badań: zjawiska kapilarne w przyrodzie ożywionej i nieożywionej.
- Przestudiować materiał teoretyczny na temat właściwości cieczy.
- Zapoznaj się z materiałem dotyczącym zjawisk kapilarnych.
- Przeprowadź serię eksperymentów, aby znaleźć przyczynę wzrostu poziomu cieczy w naczyniach włosowatych.
- Podsumuj przestudiowany w trakcie pracy materiał i sformułuj wniosek.
Przed przystąpieniem do badania zjawisk kapilarnych należy zapoznać się z właściwościami cieczy, które odgrywają znaczącą rolę w zjawiskach kapilarnych.
Napięcie powierzchniowe
Samo określenie „napięcie powierzchniowe” oznacza, że substancja na powierzchni znajduje się w „naprężeniu”, czyli stanie naprężenia, co można wytłumaczyć działaniem siły zwanej ciśnieniem wewnętrznym. Wciąga cząsteczki wewnątrz cieczy w kierunku prostopadłym do jej powierzchni. Zatem cząsteczki znajdujące się w wewnętrznych warstwach substancji doświadczają średnio jednakowego przyciągania we wszystkich kierunkach od otaczających cząsteczek; cząsteczki warstwy powierzchniowej podlegają nierównomiernemu przyciąganiu od wewnętrznych warstw substancji i od strony graniczącej z powierzchniową warstwą ośrodka. Przykładowo na granicy faz ciecz-powietrze cząsteczki cieczy znajdujące się w warstwie powierzchniowej są silniej przyciągane przez cząsteczki sąsiadujące z wewnętrznymi warstwami cieczy niż przez cząsteczki powietrza. Z tego wynika różnica między właściwościami warstwy powierzchniowej cieczy a właściwościami jej objętości wewnętrznych.
Ciśnienie wewnętrzne powoduje, że cząsteczki znajdujące się na powierzchni cieczy są wciągane do wewnątrz, a tym samym mają tendencję do zmniejszania powierzchni do minimum w danych warunkach. Siła działająca na jednostkę długości granicy faz, powodująca skurcz powierzchni cieczy, nazywana jest siłą napięcia powierzchniowego lub po prostu napięciem powierzchniowym σ.
Napięcie powierzchniowe różnych cieczy nie jest takie samo, zależy od ich objętości molowej, polarności cząsteczek, zdolności cząsteczek do tworzenia między sobą wiązań wodorowych itp.
Wraz ze wzrostem temperatury napięcie powierzchniowe maleje liniowo. Na napięcie powierzchniowe cieczy wpływają także zawarte w niej zanieczyszczenia. Substancje osłabiające napięcie powierzchniowe nazywane są środkami powierzchniowo czynnymi (surfaktantami). W odniesieniu do wody środkami powierzchniowo czynnymi są produkty naftowe, alkohole, eter, mydło i inne substancje płynne i stałe. Niektóre substancje zwiększają napięcie powierzchniowe. Zanieczyszczenia, na przykład sole i cukier.
Wyjaśnienie tej sytuacji podaje MKT. Jeżeli siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami samej cieczy są większe niż siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami środka powierzchniowo czynnego i cieczy, wówczas cząsteczki cieczy przemieszczają się do wewnątrz od warstwy powierzchniowej, a cząsteczki środka powierzchniowo czynnego są wypychane na zewnątrz powierzchnia. Oczywiście cząsteczki soli i cukru zostaną wciągnięte do cieczy, a cząsteczki wody zostaną wypchnięte na powierzchnię. Zatem napięcie powierzchniowe – podstawowe pojęcie fizyki i chemii zjawisk powierzchniowych – jest jedną z najważniejszych cech w praktyce. Należy zaznaczyć, że wszelkie poważne badania naukowe z zakresu fizyki układów heterogenicznych wymagają pomiaru napięcia powierzchniowego. Historia eksperymentalnych metod wyznaczania napięcia powierzchniowego sięga ponad dwóch stuleci i ewoluowała od metod prostych i prymitywnych do technik precyzyjnych, pozwalających na wyznaczanie napięcia powierzchniowego z dokładnością do setnych części procenta. Zainteresowanie tym problemem szczególnie wzrosło w ostatnich dziesięcioleciach w związku z wejściem człowieka w przestrzeń kosmiczną i rozwojem budownictwa przemysłowego, gdzie często decydującą rolę odgrywają siły kapilarne w różnych urządzeniach.
Jedna z takich metod określania napięcia powierzchniowego polega na podnoszeniu cieczy zwilżającej pomiędzy dwiema płytkami szklanymi. Należy je opuścić do naczynia z wodą i stopniowo przybliżać równolegle do siebie. Woda zacznie się podnosić pomiędzy płytami - będzie wciągana przez siłę napięcia powierzchniowego, o czym była mowa powyżej. Łatwo jest obliczyć współczynnik napięcia powierzchniowego σ na podstawie wysokości przypływu wody y i szczeliny między płytami D.
Siła napięcia powierzchniowego F= 2σ L, Gdzie L– długość płyty (obie pojawiły się w związku z kontaktem wody z obiema płytkami). Siła ta utrzymuje warstwę masy wody M = ρ Ldu, gdzie ρ jest gęstością wody. Zatem 2σ L = ρ Ldug. Stąd można znaleźć współczynnik napięcia powierzchniowego σ = 1/2(ρ gdu). (1) Ale ciekawiej jest to zrobić: dociśnij płytki do siebie na jednym końcu i zostaw małą szczelinę na drugim.
Woda podniesie się i utworzy zaskakująco regularną powierzchnię pomiędzy płytami. Przekrój tej powierzchni przez płaszczyznę pionową to hiperbola. Aby to udowodnić, wystarczy zastąpić we wzorze (1) zamiast d nowe wyrażenie określające przerwę w danym miejscu. Z podobieństwa odpowiednich trójkątów (patrz ryc. 2) D = D (X/L). Tutaj D– przerwa na końcu, L– jest nadal długością płyty, oraz X– odległość od punktu styku płyt do miejsca określenia szczeliny i wysokości poziomu. Zatem σ = 1/2(ρ facet)D(X/L), Lub Na= 2σ L/ρ gD(1/ X). (2)Równanie (2) jest rzeczywiście równaniem hiperboli.
Zwilżające i niezwilżające
W celu szczegółowego zbadania zjawisk kapilarnych należy wziąć pod uwagę niektóre zjawiska molekularne występujące na trójfazowej granicy współistnienia faz stałych, ciekłych i gazowych, w szczególności rozważa się kontakt cieczy z ciałem stałym . Jeżeli siły adhezji pomiędzy cząsteczkami cieczy są większe niż pomiędzy cząsteczkami ciała stałego, wówczas ciecz ma tendencję do zmniejszania granicy (obszaru) swojego kontaktu z ciałem stałym, oddalając się od niego, jeśli to możliwe. Kropla takiej cieczy na poziomej powierzchni ciała stałego przybierze kształt spłaszczonej kuli. W tym przypadku ciecz nazywa się niezwilżaniem ciała stałego. Kąt θ utworzony przez powierzchnię ciała stałego i styczną do powierzchni cieczy nazywany jest kątem krawędziowym. Dla braku zwilżania θ > 90°. W tym przypadku stała powierzchnia, która nie jest zwilżona cieczą, nazywana jest hydrofobową lub oleofilową. Jeśli siły adhezji między cząsteczkami cieczy są mniejsze niż między cząsteczkami cieczy i ciała stałego, wówczas ciecz ma tendencję do zwiększania granicy kontaktu z ciałem stałym. W tym przypadku ciecz nazywa się zwilżaniem ciała stałego; kąt zwilżania 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.
Zwilżalność i brak zwilżalności to pojęcia względne: ciecz, która zwilża jedno ciało stałe, może nie zwilżać innego ciała. Na przykład woda zwilża szkło, ale nie zwilża parafiny; rtęć nie zwilża szkła, ale zwilża miedź.
Zwilżanie jest zwykle interpretowane jako skutek działania sił napięcia powierzchniowego. Niech napięcie powierzchniowe na granicy powietrze-ciecz będzie wynosić σ 1,2, na granicy ciecz-ciało stałe σ 1,3, a na granicy powietrze-ciało stałe σ 2,3.
Na jednostkę długości obwodu zwilżania działają trzy siły, liczbowo równe σ 1,2, σ 2,3, σ 1,3, skierowane stycznie do odpowiednich powierzchni międzyfazowych. W przypadku równowagi wszystkie siły muszą się równoważyć. Siły σ 2,3 i σ 1,3 działają w płaszczyźnie powierzchni ciała stałego, siła σ 1,2 jest skierowana w stronę powierzchni pod kątem θ.
Stan równowagi powierzchni międzyfazowych ma postać: σ 2,3 = σ 1,3 + σ 1,2cosθ lub cosθ =(σ 2,3 − σ1,3)/σ 1,2
Wartość cosθ nazywa się zwykle zwilżaniem i oznacza się ją literą B.
Stan powierzchni ma pewien wpływ na zwilżanie. Zwilżalność zmienia się dramatycznie nawet w obecności jednocząsteczkowej warstwy węglowodorów. Te ostatnie są zawsze obecne w atmosferze w wystarczających ilościach. Mikrorelief powierzchni ma również pewien wpływ na zwilżanie. Jednak do chwili obecnej nie zidentyfikowano jednolitego wzorca wpływu chropowatości dowolnej powierzchni na jej zwilżanie jakąkolwiek cieczą. Na przykład równanie Wenzela-Deryagina cosθ = X cosθ0 wiąże kąty zwilżania cieczy na powierzchniach szorstkich (θ) i gładkich (θ 0) ze stosunkiem x pola powierzchni prawdziwej szorstkiego ciała do jego rzutu na płaszczyznę. Jednak w praktyce równanie to nie zawsze jest przestrzegane. Zatem zgodnie z tym równaniem, w przypadku zwilżania (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 – do jego zwiększenia (tj. do większej hydrofobowości). Na tej podstawie zwykle podaje się informację o wpływie szorstkości na zwilżanie.
Zdaniem wielu autorów prędkość rozprzestrzeniania się cieczy na chropowatej powierzchni jest mniejsza ze względu na fakt, że ciecz podczas rozprowadzania ulega opóźniającemu wpływowi występujących garbów (grzbietów) nierówności. Należy zauważyć, że to właśnie szybkość zmiany średnicy plamki utworzonej przez ściśle dozowaną kroplę cieczy nałożoną na czystą powierzchnię materiału jest główną cechą zwilżania w kapilarach. Jego wartość zależy zarówno od zjawisk powierzchniowych, jak i od lepkości cieczy, jej gęstości i lotności.
Oczywiście bardziej lepka ciecz o innych identycznych właściwościach rozprowadza się po powierzchni dłużej i dlatego przepływa wolniej przez kanał kapilarny.
Zjawiska kapilarne
Zjawiska kapilarne, zespół zjawisk wywołanych napięciem powierzchniowym na styku niemieszających się ośrodków (w układach ciecz-ciecz, ciecz-gaz lub para) w obecności krzywizny powierzchni. Szczególny przypadek zjawisk powierzchniowych.
Po szczegółowym przestudiowaniu sił leżących u podstaw zjawisk kapilarnych warto przejść bezpośrednio do kapilar. Zatem eksperymentalnie można zaobserwować, że ciecz zwilżająca (na przykład woda w szklanej rurce) unosi się przez kapilarę. Co więcej, im mniejszy promień kapilary, tym na większą wysokość unosi się w niej ciecz. Ciecz, która nie zwilża ścianek kapilary (na przykład rtęć w szklanej rurce) spada poniżej poziomu cieczy w szerokim naczyniu. Dlaczego więc płyn zwilżający unosi się w górę kapilary, a płyn niezwilżający opada?
Nietrudno zauważyć, że bezpośrednio przy ściankach naczynia powierzchnia cieczy jest nieco zakrzywiona. Jeżeli cząsteczki cieczy stykające się ze ścianką naczynia oddziałują z cząsteczkami ciała stałego silniej niż między sobą, wówczas ciecz ma tendencję do zwiększania powierzchni kontaktu z ciałem stałym ( płyn zwilżający). W tym przypadku powierzchnia cieczy zagina się w dół i mówi się, że zwilża ścianki naczynia, w którym się znajduje. Jeśli cząsteczki cieczy oddziałują ze sobą silniej niż z cząsteczkami ścianek naczynia, wówczas ciecz ma tendencję do zmniejszania powierzchni kontaktu z ciałem stałym, a jego powierzchnia zakrzywia się ku górze. W tym przypadku mówimy o niezawilgoceniu ścian naczynia przez ciecz.
W wąskich rurkach, których średnica wynosi ułamek milimetra, zakrzywione krawędzie cieczy pokrywają całą warstwę powierzchniową, a cała powierzchnia cieczy w takich rurkach ma wygląd przypominający półkulę. Jest to tak zwany menisk. Może być wklęsły, co obserwuje się w przypadku zwilżania i wypukły w przypadku niezwilżania. Promień krzywizny powierzchni cieczy jest tego samego rzędu co promień rury. Zjawisko zwilżania i niezwilżania charakteryzuje się w tym przypadku także kątem zwilżania θ pomiędzy zwilżaną powierzchnią kapilary a meniskiem w punktach ich styku.
Pod wklęsłym meniskiem cieczy zwilżającej ciśnienie jest mniejsze niż pod płaską powierzchnią. Zatem ciecz w wąskiej rurce (kapilarze) unosi się do momentu, aż ciśnienie hydrostatyczne cieczy podniesione w kapilarze na poziomie płaskiej powierzchni zrekompensuje różnicę ciśnień. Pod wypukłym meniskiem płynu niezwilżającego panuje większe ciśnienie niż pod powierzchnią płaską, co prowadzi do opadania płynu niezwilżającego.
Obecność sił napięcia powierzchniowego oraz krzywizna powierzchni cieczy w rurce kapilarnej powoduje powstawanie dodatkowego ciśnienia pod zakrzywioną powierzchnią, zwanego ciśnieniem Laplace’a: ∆ P= ± 2σ / R.
Znak ciśnienia kapilarnego („plus” lub „minus”) zależy od znaku krzywizny. Środek krzywizny powierzchni wypukłej znajduje się wewnątrz odpowiedniej fazy. Powierzchnie wypukłe mają dodatnią krzywiznę, powierzchnie wklęsłe mają krzywiznę ujemną.
Zatem warunek równowagi cieczy w rurce kapilarnej jest określony przez równość
P 0 = P 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)
gdzie ρ jest gęstością cieczy, H– wysokość jego wzniesienia w rurze, P 0 – ciśnienie atmosferyczne.
Z tego wyrażenia wynika, że H= 2σ/ρ gr. (2)
Przekształćmy otrzymany wzór, wyrażając promień krzywizny R menisk przechodzący przez promień rurki kapilarnej R.
Z ryc. 6.18 wynika z tego R = R cosθ. Podstawiając (1) do (2) otrzymujemy: H= 2σ cosθ /ρ gr.
Otrzymany wzór, określający wysokość wznoszenia się cieczy w rurce kapilarnej, nazywany jest wzorem Jurina. Oczywiście im mniejszy promień rurki, tym na większą wysokość unosi się w niej ciecz. Ponadto wysokość wzniesienia rośnie wraz ze wzrostem współczynnika napięcia powierzchniowego cieczy.
Podnoszenie się cieczy zwilżającej przez kapilarę można wyjaśnić w inny sposób. Jak wspomniano wcześniej, pod wpływem sił napięcia powierzchniowego powierzchnia cieczy ma tendencję do kurczenia się. W rezultacie powierzchnia wklęsłego menisku ma tendencję do prostowania się i stania się płaska. Jednocześnie ciągnie zalegające pod nim cząsteczki cieczy, a ciecz unosi się do góry kapilarą. Jednak powierzchnia cieczy w wąskiej rurce nie może pozostać płaska, musi mieć kształt wklęsłego menisku. Gdy tylko powierzchnia ta w nowym położeniu przybierze kształt menisku, ponownie będzie miała tendencję do kurczenia się itp. Z tych powodów ciecz zwilżająca unosi się przez kapilarę. Podnoszenie zostanie zatrzymane, gdy siła grawitacji F uniesionej kolumny cieczy, która ściąga powierzchnię w dół, zrównoważy siłę wypadkową F sił napięcia powierzchniowego skierowanych stycznie do każdego punktu powierzchni.
Na okręgu styku powierzchni cieczy ze ścianką kapilary działa siła napięcia powierzchniowego równa iloczynowi współczynnika napięcia powierzchniowego i obwodu: 2σπ R, Gdzie R– promień kapilary.
Siła ciężkości działająca na podniesioną ciecz wynosi
F sznur = mg = ρ Vg = ρπ R^2hg
gdzie ρ jest gęstością cieczy; H– wysokość słupa cieczy w kapilarze; G– struktura grawitacji.
Wzrost cieczy zatrzymuje się, gdy F sznur = F lub ρπ R^2hg= 2σπ R. Stąd wysokość cieczy podnoszącej się w kapilarze H= 2σ/ρ gr.
W przypadku cieczy niezwilżającej, ta ostatnia, próbując zmniejszyć swoją powierzchnię, będzie opadać, wypychając ciecz z kapilary.
Wyprowadzony wzór ma również zastosowanie do cieczy niezwilżającej. W tym przypadku H– wysokość opadania cieczy w kapilarze.
Zjawiska kapilarne w przyrodzie
Zjawiska kapilarne są również bardzo powszechne w przyrodzie i często wykorzystywane w praktyce ludzkiej. Drewno, papier, skóra, cegła i wiele innych przedmiotów wokół nas ma naczynia włosowate. Dzięki kapilarom woda unosi się wzdłuż łodyg roślin i wchłania się w ręcznik, gdy się nim wycieramy. Podnoszenie wody przez maleńkie dziurki w kawałku cukru, pobieranie krwi z palca to także przykłady zjawisk kapilarnych.
Układ krążenia człowieka, zaczynając od bardzo grubych naczyń, kończy się bardzo rozgałęzioną siecią cienkich naczyń włosowatych. Na przykład interesujące mogą być następujące dane. Pole przekroju aorty wynosi 8 cm2. Średnica kapilary krwi może być 50 razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa o długości 0,5 mm. W organizmie dorosłego człowieka znajduje się około 160 miliardów naczyń włosowatych. Ich łączna długość sięga 80 tys. Km.
Poprzez liczne kapilary występujące w glebie woda z głębokich warstw wypływa na powierzchnię i intensywnie odparowuje. Aby spowolnić proces utraty wilgoci, naczynia włosowate są niszczone poprzez spulchnianie gleby za pomocą bron, kultywatorów i spulchniaczy.
Część praktyczna
Weźmy szklaną rurkę o bardzo małej średnicy wewnętrznej ( 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.
W prostym doświadczeniu można zaobserwować wzrost cieczy pod wpływem działania sił napięcia powierzchniowego wody. Weźmy czystą szmatkę i opuśćmy jej jeden koniec do szklanki z wodą, a drugi powieśmy na krawędzi szklanki. Woda zacznie się unosić przez pory tkaniny, podobnie jak rurki kapilarne, i nasyci całą tkaninę. Nadmiar wody będzie kapał z wiszącego końca (patrz zdjęcie 2).
Jeśli do eksperymentu weźmiesz jasny materiał, to na zdjęciu bardzo trudno jest zobaczyć, jak woda rozprzestrzenia się przez tkaninę. Należy również pamiętać, że nie ze wszystkich tkanin będzie kapać nadmiar wody ze zwisającego końca. Zrobiłem ten eksperyment dwa razy. Po raz pierwszy zastosowaliśmy lekką tkaninę (dzianina bawełniana); Z wiszącego końca woda bardzo dobrze spływała kroplami. Za drugim razem użyliśmy ciemnej tkaniny (dzianina mieszana - bawełniana i syntetyczna); Było wyraźnie widać, jak woda rozlała się po tkaninie, ale z wiszącego końca nie spadła żadna kropla.
Podnoszenie się cieczy przez kapilary ma miejsce, gdy siły przyciągania cząsteczek cieczy do siebie są mniejsze niż siły ich przyciągania do cząsteczek ciała stałego. W tym przypadku mówi się, że ciecz zwilża ciało stałe.
Jeśli weźmiesz niezbyt cienką rurkę, napełnisz ją wodą i zamkniesz palcem dolny koniec rurki, zobaczysz, że poziom wody w rurce jest wklęsły (ryc. 9).
Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki wody przyciągają się bardziej do cząsteczek ścianek naczynia niż do siebie nawzajem.
Nie wszystkie płyny i nie we wszystkich probówkach „przywierają” do ścianek. Zdarza się również, że ciecz w kapilarze opada poniżej poziomu w szerokim naczyniu, a jej powierzchnia jest wypukła. Mówi się, że taka ciecz nie zwilża powierzchni ciała stałego. Przyciąganie cząsteczek cieczy do siebie jest silniejsze niż do cząsteczek ścianek naczynia. Tak zachowuje się na przykład rtęć w szklanej kapilarze. (ryc. 10)
Wniosek
Tak więc w trakcie tej pracy przekonałem się, że:
- Zjawiska kapilarne odgrywają dużą rolę w przyrodzie.
- Wzrost cieczy w kapilarze trwa do momentu, gdy siła ciężkości działająca na słup cieczy w kapilarze stanie się równa wartości siły wynikowej.
- Ciecz zwilżająca w kapilarach podnosi się, a ciecz niezwilżająca przesuwa się w dół.
- Wysokość cieczy unoszącej się w kapilarze jest wprost proporcjonalna do jej napięcia powierzchniowego i odwrotnie proporcjonalna do promienia kanału kapilarnego i gęstości cieczy.
Wśród procesów, które można wyjaśnić za pomocą napięcia powierzchniowego i zwilżania cieczy, warto wyróżnić zjawiska kapilarne. Fizyka to tajemnicza i niezwykła nauka, bez której życie na Ziemi byłoby niemożliwe. Spójrzmy na najbardziej uderzający przykład tej ważnej dyscypliny.
W praktyce życiowej dość często zachodzą procesy tak interesujące z punktu widzenia fizyki, jak zjawiska kapilarne. Rzecz w tym, że na co dzień otacza nas wiele ciał, które z łatwością wchłaniają ciecz. Powodem tego jest ich porowata struktura i elementarne prawa fizyki, a efektem są zjawiska kapilarne.
Wąskie rurki
Kapilara to bardzo wąska rurka, w której ciecz zachowuje się w szczególny sposób. W przyrodzie istnieje wiele przykładów takich naczyń - naczynia włosowate układu krążenia, ciała porowate, gleba, rośliny itp.
Zjawisko kapilarne polega na unoszeniu się lub opadaniu cieczy w wąskich rurkach. Takie procesy obserwuje się w naturalnych kanałach ludzi, roślin i innych ciał, a także w specjalnych wąskich naczyniach szklanych. Zdjęcie pokazuje, że w rurach łączących o różnej grubości ustaliły się różne poziomy wody. Należy zauważyć, że im cieńsze naczynie, tym wyższy poziom wody.
Zjawiska te leżą u podstaw chłonnych właściwości ręcznika, odżywiania roślin, ruchu atramentu wzdłuż pręta i wielu innych procesów.
Zjawiska kapilarne w przyrodzie
Opisany powyżej proces jest niezwykle ważny dla utrzymania życia roślin. Gleba jest dość luźna, pomiędzy jej cząstkami występują szczeliny, które tworzą sieć kapilarną. Woda unosi się tymi kanałami, zasilając system korzeniowy roślin wilgocią i wszystkimi niezbędnymi substancjami.
Przez te same kapilary ciecz aktywnie odparowuje, dlatego konieczne jest zaoranie gleby, co zniszczy kanały i zatrzyma składniki odżywcze. I odwrotnie, ubita gleba szybciej odparuje wilgoć. To wyjaśnia znaczenie orki gleby w celu zatrzymania płynu podglebowego.
W roślinach układ kapilarny sprawia, że wilgoć przedostaje się z małych korzeni do samych wierzchołków, a poprzez liście odparowuje do środowiska zewnętrznego.
Napięcie powierzchniowe i zwilżanie
Pytanie o zachowanie cieczy w naczyniach opiera się na procesach fizycznych, takich jak napięcie powierzchniowe i zwilżanie. Wywołane przez nie zjawiska kapilarne są badane kompleksowo.
Pod wpływem napięcia powierzchniowego płyn zwilżający w kapilarach znajduje się powyżej poziomu, na którym powinien znajdować się zgodnie z prawem naczyń połączonych. I odwrotnie, substancja niezwilżająca znajduje się poniżej tego poziomu.
Zatem woda w szklanej rurce (płyn zwilżający) unosi się na większą wysokość, im cieńsze jest naczynie. I odwrotnie, im cieńszy pojemnik, tym niższa zawartość rtęci w szklanej probówce (płynie niezwilżającym). Dodatkowo, jak pokazano na rysunku, ciecz zwilżająca tworzy kształt wklęsły menisku, a ciecz niezwilżająca tworzy kształt wypukły.
Zwilżanie
Jest to zjawisko występujące na granicy kontaktu cieczy ze ciałem stałym (inną cieczą, gazem). Powstaje w wyniku specjalnego oddziaływania cząsteczek na granicy ich kontaktu.
Całkowite zwilżenie oznacza, że kropla rozprzestrzenia się po powierzchni ciała stałego, natomiast brak zwilżenia przekształca ją w kulę. W praktyce ten lub inny stopień zwilżenia jest częstszy niż opcje ekstremalne.
Siła napięcia powierzchniowego
Powierzchnia kropli ma kształt kulisty, a powodem tego jest prawo działające na ciecze – napięcie powierzchniowe.
Zjawiska kapilarne wynikają z faktu, że wklęsła strona cieczy w rurce ma tendencję do prostowania się do stanu płaskiego pod wpływem sił napięcia powierzchniowego. Towarzyszy temu fakt, że zewnętrzne cząstki unoszą w górę znajdujące się pod nimi ciała, a substancja unosi się w górę rurki. Jednakże ciecz w kapilarze nie może przyjąć płaskiego kształtu powierzchni i proces wznoszenia trwa aż do pewnego punktu równowagi. Aby obliczyć wysokość, na jaką podniesie się (opadnie) słup wody, należy skorzystać ze wzorów, które zostaną przedstawione poniżej.
Obliczanie wysokości słupa wody
Moment, w którym zatrzymuje się podnoszenie wody w wąskiej rurce, następuje, gdy siła ciężkości P substancji równoważy siłę napięcia powierzchniowego F. Ten moment określa wysokość podniesienia cieczy. Zjawiska kapilarne są powodowane przez dwie odmiennie skierowane siły:
- siła grawitacji pasma P powoduje opadanie cieczy;
- Siła napięcia powierzchniowego F przesuwa wodę w górę.
Siła napięcia powierzchniowego działająca wokół okręgu, w którym ciecz styka się ze ściankami rurki, jest równa:
gdzie r jest promieniem rury.
Siła ciężkości działająca na ciecz w rurce wynosi:
nić P = ρπr2hg,
gdzie ρ jest gęstością cieczy; h jest wysokością słupa cieczy w rurce;
Zatem substancja przestanie rosnąć, pod warunkiem, że P ciężki = F, co oznacza, że
ρπr 2 hg = σ2πr,
stąd wysokość cieczy w rurze wynosi:
Podobnie dla cieczy niezwilżającej:
h jest wysokością substancji w rurze. Jak widać ze wzorów, wysokość, na jaką podnosi się (opada) woda w wąskim naczyniu, jest odwrotnie proporcjonalna do promienia pojemnika i gęstości cieczy. Dotyczy to cieczy zwilżających i niezwilżających. W innych warunkach konieczne jest dokonanie korekty kształtu menisku, co zostanie przedstawione w następnym rozdziale.
Ciśnienie Laplace’a
Jak już wspomniano, ciecz w wąskich rurkach zachowuje się tak, że wydaje się, że zostaje naruszone prawo naczyń połączonych. Fakt ten zawsze towarzyszy zjawiskom kapilarnym. Fizyka wyjaśnia to za pomocą ciśnienia Laplace'a, które jest skierowane w górę, gdy ciecz zwilża się. Opuszczając bardzo wąską rurkę do wody, obserwujemy, jak ciecz zasysa się do pewnego poziomu h. Zgodnie z prawem naczyń połączonych należało ją zrównoważyć z zewnętrznym poziomem wody.
Rozbieżność tę wyjaśnia kierunek ciśnienia Laplace'a p l:
W tym przypadku jest skierowany w górę. Woda jest pobierana do rury do poziomu, przy którym równoważy się z ciśnieniem hydrostatycznym p g słupa wody:
i jeśli p l = p g, to możemy przyrównać obie części równania:
Teraz wysokość h można łatwo wyprowadzić ze wzoru:
Po zakończeniu zwilżania menisk tworzący wklęsłą powierzchnię wody ma kształt półkuli, gdzie Ɵ=0. W tym przypadku promień kuli R będzie równy wewnętrznemu promieniowi kapilary r. Stąd otrzymujemy:
Natomiast w przypadku niepełnego zwilżenia, gdy Ɵ≠0, promień kuli można obliczyć ze wzoru:
Wtedy pożądana wysokość, skorygowana o kąt, będzie równa:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
Z przedstawionych równań wynika, że wysokość h jest odwrotnie proporcjonalna do promienia wewnętrznego rury r. Woda osiąga największą wysokość w naczyniach o średnicy ludzkiego włosa, zwanych naczyniami włosowatymi. Jak wiadomo, płyn zwilżający jest wciągany do góry, a płyn niezwilżający jest wypychany w dół.
Możesz przeprowadzić eksperyment, biorąc naczynia łączące, gdzie jeden z nich jest szeroki, a drugi bardzo wąski. Po nalaniu do niego wody można zauważyć inny poziom cieczy, przy czym w wersji z substancją zwilżającą poziom w wąskiej rurce jest wyższy, a przy substancji niezwilżającej niższy.
Znaczenie zjawisk kapilarnych
Bez zjawisk kapilarnych istnienie żywych organizmów jest po prostu niemożliwe. To właśnie poprzez najmniejsze naczynia organizm ludzki otrzymuje tlen i składniki odżywcze. Korzenie roślin to sieć naczyń włosowatych, które pobierają wilgoć z gleby i przenoszą ją do najwyższych liści.
Proste sprzątanie w gospodarstwie domowym nie jest możliwe bez zjawisk kapilarnych, ponieważ zgodnie z tą zasadą tkanina wchłania wodę. Na tej zasadzie działa ręcznik, atrament, knot w lampie naftowej i wiele urządzeń. Zjawiska kapilarne w technologii odgrywają ważną rolę w suszeniu ciał porowatych i innych procesach.
Czasami te same zjawiska dają niepożądane konsekwencje, na przykład pory cegły pochłaniają wilgoć. Aby uniknąć zawilgocenia budynków pod wpływem wód gruntowych, należy zabezpieczyć fundament materiałami hydroizolacyjnymi - bitumem, papą lub papą.
Zamoczenie ubrań podczas deszczu, np. spodni do kolan, podczas chodzenia po kałużach, również jest skutkiem zjawisk kapilarnych. Istnieje wiele przykładów tego naturalnego zjawiska wokół nas.
Eksperymentuj z kwiatami
Przykłady zjawisk kapilarnych można spotkać w przyrodzie, szczególnie jeśli chodzi o rośliny. W ich pniach znajduje się wiele małych naczyń. Możesz eksperymentować z pomalowaniem kwiatu na jasny kolor w wyniku zjawisk kapilarnych.
Trzeba wziąć jaskrawo zabarwioną wodę i biały kwiat (lub liść kapusty pekińskiej, łodygę selera) i umieścić go w szklance z tym płynem. Po pewnym czasie można zaobserwować przesuwanie się farby ku górze na liściach kapusty pekińskiej. Kolor rośliny będzie się stopniowo zmieniać w zależności od farby, w której zostanie umieszczona. Dzieje się tak na skutek przemieszczania się substancji w górę łodyg zgodnie z prawami omówionymi w tym artykule.
Zmień poziom w rurkach, wąskich kanałach o dowolnym kształcie, ciałach porowatych. Wzrost poziomu cieczy występuje w przypadkach, gdy kanały są zwilżane cieczami, na przykład wodą w szklanych rurkach, piaskiem, ziemią itp. Spadek poziomu cieczy występuje w rurach i kanałach, które nie są zwilżane cieczą, na przykład rtęcią w szklana rurka.
Działalność życiowa zwierząt i roślin, technologie chemiczne i zjawiska codziennego użytku (na przykład podnoszenie nafty wzdłuż knota w lampie naftowej, wycieranie rąk ręcznikiem) opierają się na kapilarności. Kapilarność gleby zależy od szybkości, z jaką woda podnosi się w glebie i zależy od wielkości przestrzeni pomiędzy cząsteczkami gleby.
Kapilary to cienkie rurki, a także najcieńsze naczynia w organizmie człowieka i innych zwierząt (patrz Kapilara (biologia)).
Zobacz też
Literatura
- Prokhorenko P. P. Ultradźwiękowy efekt kapilarny / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunov, G. E. Konovalov; wyd. V. V. Klubowicz. 135 s. Mińsk: „Nauka i technologia”, 1981.
Spinki do mankietów
- Gorin Yu V. Indeks efektów i zjawisk fizycznych do wykorzystania przy rozwiązywaniu problemów wynalazczych (narzędzie TRIZ) // Rozdział. 1.2 Napięcie powierzchniowe cieczy. Kapilarność.
Fundacja Wikimedia. 2010.
Zobacz, co „kapilara (fizyka)” znajduje się w innych słownikach:
Słowo kapilarne jest używane do opisania bardzo wąskich rurek, przez które może przepływać ciecz. Więcej szczegółów znajdziesz w artykule Efekt kapilarny. Kapilara (biologia) to najmniejszy rodzaj naczyń krwionośnych. Kapilara (fizyka) Kapilara... ... Wikipedia
Kryterium Landaua nadciekłości to związek energii i pędów elementarnych wzbudzeń układu (fononów), który określa możliwość przebywania go w stanie nadciekłym. Spis treści 1. Sformułowanie kryterium. 2. Zakończenie kryterium… Wikipedia
Zewnętrzna jednostka systemów dzielonych i skraplaczy (wież chłodniczych wentylatorowych) komercyjnego sprzętu chłodniczego na jednym stojaku Sprzęt klimatyzacyjny i chłodniczy oparty na działaniu maszyn chłodniczych ... Wikipedia
Zmiana temperatury gazu na skutek powolnego jego przepływu pod wpływem stałego spadku ciśnienia na przepustnicy, lokalna przeszkoda w przepływie gazu (kapilara, zawór lub przegroda porowata znajdująca się po drodze w rurze... .. .
Jest to bezbarwna, przezroczysta ciecz, wrząca pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 4,2 K (ciecz 4He). Gęstość ciekłego helu w temperaturze 4,2 K wynosi 0,13 g/cm3. Ma niski współczynnik załamania światła, ze względu na... ...Wikipedię
Efekt fontannowania, pojawienie się w nadciekłej cieczy różnicy ciśnień Δр spowodowanej różnicą temperatur ΔТ (patrz Nadciekłość). T. e. objawia się w ciekłym nadciekłym helu w różnicy poziomów cieczy w dwóch naczyniach,... ... Wielka encyklopedia radziecka
Każdy z nas z łatwością potrafi sobie przypomnieć wiele substancji, które uważa za ciecze. Jednak podanie dokładnej definicji tego stanu materii nie jest takie proste, gdyż ciecze mają takie właściwości fizyczne, że pod pewnymi względami... ... Encyklopedia Colliera
Kapilarność (od łac. włos capillaris), efekt kapilarny to zjawisko fizyczne polegające na zdolności cieczy do zmiany poziomu w rurkach, wąskich kanałach o dowolnym kształcie, ciałach porowatych. Wzrost poziomu płynu występuje w przypadkach... ...Wikipedii
