Капілярні явищаповерхневі явища на межі рідини з ін середовищем, пов'язані з викривленням її поверхні. Викривлення поверхні рідини на кордоні з газовою фазою відбувається в результаті дії поверхневого натягу рідини, яке прагне скоротити поверхню розділу та надати обмеженому об'єму рідини форму кулі. Оскільки куля має мінімальну поверхню при даному обсязі, така форма відповідає мінімуму поверхневої енергії рідини, тобто. її стійкого рівноважного стану. У разі досить великих мас рідини дія поверхневого натягу компенсується силою тяжкості, тому малов'язка рідина швидко набуває форми судини, в яку вона налита, а її віль. поверхня видається практично плоскою.
У відсутність сили тяжкості або у разі дуже малих мас рідина завжди набуває сферичної форми (крапля), кривизна поверхні якої визначає мн. властивості речовини Тому капілярні явища яскраво виражені і відіграють істотну роль в умовах невагомості, при дробленні рідини в газовому середовищі (або розпорошенні газу в рідині) та утворенні систем, що складаються з багатьох крапель або бульбашок (емульсій, аерозолів, пін), при зародженні нової фази крапель рідини при конденсації пари, бульбашок пари при скипанні, зародків кристалізації. При контакті рідини з конденсованими тілами (іншою рідиною або твердим тілом) викривлення поверхні поділу відбувається внаслідок дії міжфазного натягу.
У разі змочування, наприклад, при зіткненні рідини з твердою стінкою судини, сили тяжіння, що діють між молекулами твердого тіла і рідини, змушують її підніматися по стінці судини, внаслідок чого ділянка поверхні рідини, що примикає до стінки, приймає увігнуту форму. У вузьких каналах, наприклад, циліндричних капілярах, утворюється увігнутий меніск - повністю викривлена поверхня рідини (рис. 1).
Мал. 1. Капілярне підняття на висоту hрідини, що змочує стінки капіляра радіусу r; q – крайовий кут змочування.
Капілярний тиск.
Так як сили поверхневого (міжфазного) натягу спрямовані по дотичній поверхні рідини, викривлення останньої веде до появи складової, спрямованої всередину об'єму рідини. В результаті виникає капілярний тиск, величина якого Dp пов'язана із середнім радіусом кривизни поверхні r 0 рівнянням Лапласа:
Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)
де p 1 і p 2 - тиску в рідині 1 і сусідній фазі 2 (газ або рідина), s 12 - поверхневий (міжфазний) натяг.
Якщо поверхню рідини увігнута (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) знак Dp змінюється на зворотний. Негативний капілярний тиск, що виникає у разі змочування рідиною стінок капіляра, призводить до того, що рідина всмоктуватиметься в капіляр доти, доки вага стовпа рідини заввишки. hне врівноважує перепад тиску Dp. У стані рівноваги висота капілярного підняття визначається формулою Жюрена:
де r 1 і r 2 - густини рідини 1 і середовища 2, g - прискорення сили тяжіння, r - радіус капіляра, q - крайовий кут змочування. Для незмочують стінки капіляра рідин cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
З виразу (2) випливає визначення постійної капілярної рідини а= 1/2. Вона має розмірність довжини та характеризує лінійний розмір Z[а,при якому суттєвими стають капілярні явища Так, для води при 20 °С а = 0,38 см. При слабкій гравітації (g:0) значення азростає. На ділянці контакту частинок капілярна конденсація призводить до стягування частинок під дією зниженого тиску Dp< 0.
Рівняння Кельвіна.
Викривлення поверхні рідини призводить до зміни над нею рівноважного тиску пари рв порівнянні з тиском насиченої пари p sнад плоскою поверхнею за тієї ж температури Т.Ці зміни описуються рівнянням Кельвіна:
де - молярний об'єм рідини, R - постійна газова. Зниження чи підвищення тиску пари залежить від знака кривизни поверхні: над опуклими поверхнями (r 0 > 0) p > p s;над увігнутими (r 0< 0) р< р s . . Так, над краплями тиск пари підвищено; у бульбашках, навпаки, знижено.
На підставі рівняння Кельвіна розраховують заповнення капілярів або пористих тіл при капілярної конденсації.Оскільки значення ррізні для частинок різних розмірів або для ділянок поверхні, що має западини і виступи, рівняння (3) визначає напрям перенесення речовини в процесі переходу системи до стану рівноваги. Це призводить, зокрема, до того, що відносно великі краплі або частинки ростуть за рахунок випаровування (розчинення) дрібніших, а нерівності поверхні некристалічні тіла згладжуються за рахунок розчинення виступів та заліковування западин. Помітні відмінності тиску пари і розчинності мають місце лише за досить малих r 0 (для води, наприклад, при r 0 . Тому рівняння Кельвіна часто використовується для характеристики стану колоїдних систем і пористих тіл і процесів у них.
Мал. 2. Переміщення рідини на довжину lу капілярі радіуса r; q – крайовий кут.
Капілярне просочення.
Зниження тиску під увігнутими менісками – одна з причин капілярного переміщення рідини у бік менісків з меншим радіусом кривизни. Приватним випадком цього є просочення пористих тіл - мимовільне всмоктування рідин у ліофільні пори та капіляри (рис. 2). Швидкість vпереміщення меніска в горизонтально розташованому капілярі (або дуже тонкому вертикальному капілярі, коли вплив сили тяжіння мало) визначається рівнянням Пуазейля :
де l- довжина ділянки рідини, що всотається, h - її в'язкість, Dp - перепад тиску на ділянці l, що дорівнює капілярному тиску меніска: Dp = - 2s 12 cos q/r. Якщо крайовий кут q не залежить від швидкості v,можна розрахувати кількість рідини, що вбереться за час tіз співвідношення:
l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Якщо q є функція v, то lі vпов'язані складнішими залежностями.
Рівняння (4) і (5) використовують для розрахунків швидкості просочення при обробці деревини антисептиками, фарбуванні тканин, нанесенні каталізаторів на пористі носії, вилуговуванні та дифузійному вилученні цінних компонентів гірських порід та ін. Для прискорення просочення часто використовують ПАР крайового кута q. Один з варіантів капілярного просочення - витіснення з пористого середовища однієї рідини інший, що не змішується з першою і краще змочує поверхню пір. На цьому ґрунтуються, наприклад, методи вилучення залишкової нафти з пластів водними розчинами ПАР, методи ртутної порометрії. Капілярне вбирання в пори розчинів і витіснення з пор рідин, що не змішуються, що супроводжуються адсорбцією і дифузією компонентів, розглядаються фізико-хімічною гідродинамікою.
Крім описаних рівноважних станів рідини та її руху в порах та капілярах, до капілярних явищ відносять також рівноважні стани дуже малих об'ємів рідини, зокрема тонких шарів та плівок. Ці капілярні явища часто називають капілярними явищами II роду. Їх характерні, наприклад, залежність поверхневого натягу рідини від радіуса крапель і лінійне натяг. Капілярні явища вперше досліджено Леонардо да Вінчі (1561), Б. Паскалем (17 ст) та Дж. Жюреном (18 ст) у дослідах з капілярними трубками. Теорія капілярних явищ розвинена роботах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1804), А. Ю. Давидова (1851), Дж. У. Гіббса (1876), І. З. Громеки (1879, 1886). Початок розвитку теорії капілярних явищ ІІ роду покладено працями Б. В. Дерягіна та Л. М. Щербакова.
При змочуванні виникає викривлення поверхні, що змінює властивості поверхневого шару. Існування надлишку вільної енергії у викривленої поверхні призводить до так званих капілярних явищ - дуже своєрідним та важливим.
Проведемо спочатку якісний розгляд з прикладу мильного міхура. Якщо ми в процесі видування міхура відкриємо кінець трубочки, то побачимо, що міхур, що знаходиться на її кінці, зменшаться в розмірах і втягнеться в трубку. Оскільки повітря з відкритого кінця повідомлялося з атмосферою, остільки підтримки рівноважного стану мильного міхура необхідно щоб тиск усередині було більше, ніж зовнішнє. Якщо при цьому з'єднати трубочку з монометром, то на ньому реєструється деяка різниця рівнів - надлишковий тиск DР в об'ємній фазі газу з увігнутого боку поверхні міхура.
Встановимо кількісну залежність між DР та радіусом кривизни поверхні 1/r між двома об'ємними фазами, що знаходяться в стані рівноваги та розділеними сферичною поверхнею. (наприклад пляшечку газу в рідині або крапля рідини у фазі пари). Для цього використовуємо загальний термодинамічний вираз для вільної енергії за умови Т = const і відсутності перенесення речовини з однієї фази до іншої dn i = 0. У стані рівноваги можливі варіації поверхні ds і об'єму dV. Нехай V збільшиться на dV, а s – на ds. Тоді:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
У стані рівноваги dF = 0. З урахуванням того, що dV 1 = dV 2 знаходимо:
P 1 - P 2 = s ds/dV.
Т.о P 1 > P 2 . Враховуючи, що V 1 = 4/3 p r 3 де r - радіус кривизни, отримуємо:
Підстановка дає рівняння Лапласа:
P 1 - P 2 = 2s/r. (1)
У більш загальному випадку для еліпсоїда обертання з головними радіусами кривизни r 1 і r 2 закон Лапласа формулюється:
P 1 - P 2 = s/(1/R 1 - 1/R 2).
При r 1 = r 2 отримуємо (1), при r 1 = r 2 = ¥ (площина) P 1 = P 2 .
Різницю DР називають капілярним тиском. Розглянемо фізичний зміст і наслідки із закону Лапласа, що є основою теорій капілярних явищ. Таким чином, чим вища дисперсність, тим більший внутрішній тиск рідини зі сферичною поверхнею. Наприклад, для краплі води у фазі пари при r = 10 -5 см, DР = 2 . 73 . 10 5 дін/см 2 »15 ат. Таким чином тиск усередині краплі в порівнянні з парою виявляється на 15 ат вище, ніж у фазі пари. Необхідно пам'ятати, що незалежно від агрегатного стану фаз, у стані рівноваги тиск з увігнутої сторони поверхні завжди більше, ніж з опуклою. Один із найважливіших наслідків існування капілярного тиску - підняття рідини в капілярі.
Капілярні явища спостерігаються в рідині, що містять
У вузьких судинах, у яких відстань між стінками можна порівняти з радіусом кривизни поверхні рідини. Кривизна виникає внаслідок взаємодії рідини зі стінками судини. Специфіка поведінки рідини в капілярних судинах залежить від того, змочує або незмочує рідину стінки судини, точніше значення крайового кута змочування.
Розглянемо положення рівнів рідин у двох капілярах, один з яких має ліофільна поверхня і тому стінки його змочуються, а в іншого поверхня ліофобізована і не змочується. У першому капілярі поверхня має негативну кривизну. Додатковий тиск Лапласа прагне розтягнути рідину. (Тиск направлений до центру кривизни). Тиск під поверхнею знижений у порівнянні з тиском у плоскій поверхні. В результаті виникає виштовхувальна сила, що піднімає рідину в капілярі до тих пір, поки вага стовпа не врівноважить діючу силу.
При рівновазі лапласівський тиск дорівнює гідростатичному тиску стовпа рідини заввишки h:
DР = ± 2s/r = (r - r o) gh, де r , r o - щільності рідини та газової фази, g-прискорення вільного падіння, r -радіус меніска.
Щоб висоту капілярного підняття пов'язати з характеристикою змочування, радіус меніска виразимо через кут змочування Q та радіус капіляра r 0. Зрозуміло, що r 0 = r cosQ, висота капілярного підняття виразиться у вигляді (формула Жюрена):
h = 2sсosQ/r 0 (r - r 0)g
За відсутності змочування 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.
Капілярним підняттям рідин пояснюється ряд відомих явищ і процесів: просочування паперу, тканин обумовлено капілярним підняттям рідини в порах. Водонепроникність тканин забезпечується їхньою гідрофобністю - наслідок негативного капілярного підняття. Підйом води із ґрунту, відбувається завдяки структурі ґрунту та забезпечує існування рослинного покриву Землі, підйом води із ґрунту по стовбурах рослин відбувається завдяки волокнистій будові деревини, процес кровообігу в кровоносних судинах, підняття вологи у стінах будівлі (прокладають гідроізоляцію) тощо.
Термодинамічна реакційна здатність (т.р.с.).
Характеризує здатність речовини переходити в будь-який інший стан, наприклад, в іншу фазу, вступати в хімічну реакцію. Вона свідчить про віддаленість даної системи стану рівноваги за даних умов. Т.р.с. визначається хімічною спорідненістю, яку можна виразити зміною енергії Гіббса чи різницею хімічних потенціалів.
Р.с залежить від ступеня дисперсності речовини. Зміна ступеня дисперсності може призводити до зсуву фазової або хімічної рівноваги.
Відповідне збільшення енергії Гіббса dG д (через зміну дисперсності) можна подати у вигляді об'єднаного рівняння першого і другого початку термодинаміки: dG д = -S dT + V dp
Для індивідуальної речовини V = V мол і при Т = const маємо: dG д = V мол dp або DG д = V мол Dp
Підставляючи це рівняння співвідношення Лапласа, отримаємо dG д = s V мол ds/dV
для сферичної кривизни: dG д =±2 s V мол /r (3)
Рівняння показують, що збільшення реакційної здатності, обумовлене зміною дисперсності, пропорційно кривизні поверхні, або дисперсності.
Якщо розглядається перехід речовини з конденсованої фази газоподібну, то енергію Гіббса можна виразити через тиск пари, прийнявши його за ідеальний. Тоді додаткова зміна енергії Гіббса, пов'язана зі зміною дисперсності становить:
dG д = RT ln (p д / p s) (4), де p д і p s - тиск насиченої пари над викривленою та рівною поверхнями.
Підставляючи (4) до (3) отримаємо: ln (p д / p s) = ±2 s V мол / RТ r
Співвідношення зветься рівняння Кельвіна - Томсона. З цього рівняння випливає, що при позитивній кривизні тиск насиченої пари над викривленою поверхнею буде тим більшим, чим більша кривизна, тобто. менше радіус краплі. Наприклад для краплі води з радіусом r = 10 -5 см (s = 73, V мол = 18) p д / p s = 0,01, тобто 1%. Це наслідок із закону Кельвіна - Томсона дозволяє передбачити явище ізотремічної перегонки, що полягає у випаровуванні найменших крапель і конденсації пари на великих краплях і на плоскій поверхні.
При негативній кривизні, що має місце в капілярах при змочуванні, виходить зворотна залежність: тиск насиченої пари над викривленою поверхнею (над краплею) зменшується зі збільшенням кривизни (зі зменшенням радіусу капіляра). Т.ч., якщо рідина змочує капіляр, то конденсація парів у капілярі відбувається при меншому тиску, ніж на рівній поверхні. Саме тому рівняння Кельвіна часто називають рівнянням капілярної конденсації.
Розглянемо вплив дисперсності частинок з їхньої розчинність. Враховуючи, що зміна енергії Гіббса виражається через розчинність речовини в різному дисперсному стані аналогічно співвідношенню (4), отримаємо для неелектролітів:
ln(c д /ca) = ±2 s V мол /RТ r де c д і c a - розчинність речовини у високодисперсному стані та розчинність при рівновазі з великими частинками цієї речовини
Для електроліту, що дисоціює в розчині на n іонів, можна записати (нехтуючи коефіцієнтами активності):
ln(a д /a с) = n ln (c д /c s) = ±2 s V мол / RТ r , де a д і a с - активності електроліту в розчинах, насичених по відношенню до високодисперсного у і грубодисперсного стану. Рівняння показують, що зі збільшенням дисперсності розчинність зростає, або хімічний потенціал частинок дисперсної системи більше, ніж у великої частки, величину 2 s V мол /r. У той же час розчинність залежить від знака кривизни поверхні, а це означає, що якщо частинки твердої речовини мають неправильну форму з позитивною та негативною кривизною і знаходяться в насиченому розчині, то ділянки з позитивною кривизною розчинятимуться, а з негативною – нарощуватимуться. В результаті частинки розчиняються з часом набувають цілком певну форму, що відповідає рівноважному стану.
Ступінь дисперсності може також впливати на рівновагу хімічної реакції: - DG 0 д = RT ln (К д / К), де DG 0 д - збільшення хімічної спорідненості, обумовлене дисперсністю, К д і К - константи рівноваги реакцій за участю диспергованих та недиспергованих речовин .
Зі збільшенням дисперсності підвищується активність компонентів, а відповідно змінюється константа хімічної рівноваги в той чи інший бік, залежно від ступеня дисперсності вихідних речовин і продуктів реакції. Наприклад, для реакції розкладання карбонату кальцію: CaCO 3 « CaO + CO 2
підвищення дисперсності вихідного карбонату кальцію зсуває рівновагу праворуч, і тиск діоксиду вуглецю над системою зростає. Збільшення дисперсності оксиду кальцію призводить до протилежного результату.
З тієї ж причини зі збільшенням дисперсності послаблюється зв'язок кристалізації води з речовиною. Так макрокристал Al 2 O 3 . 3 Н 2 Про віддає воду при 473 К, у той час як в осаді з частинок колоїдних розмірів кристалогідрат розкладається при 373 К. Золото не взаємодіє з хлороводневою кислотою, а колоїдне золото в ній розчиняється. Грубодисперсна сірка не взаємодіє помітно із солями срібла, а колоїдна сірка утворює сульфід срібла.
Увага! Адміністрація сайту сайт не несе відповідальності за зміст методичних розробок, а також за відповідність розробці ФГОС.
- Учасник:Миколаєв Володимир Сергійович
- Керівник: Сулейманова Альфія Сайфулівна
Вступ
У наш час високих технологій дедалі більше значення життя людей мають природні науки. Люди 21 століття виробляють супер продуктивні комп'ютери, смартфони, все глибше і глибше вивчають навколишній світ. Я думаю, що люди готуються до нової науково-технічної революції, яка змінить наше майбутнє докорінно. Але коли відбудуться ці зміни, ніхто не знає. Кожна людина своєю працею може наблизити цей день.
Ця науково-дослідна робота – мій маленький внесок у розвиток фізики.
Дана науково-дослідна робота присвячена актуальній на даний момент темі "Капілярні явища". У житті ми часто маємо справу з тілами, пронизаними безліччю дрібних каналів (папір, пряжа, шкіра, різні будівельні матеріали, ґрунт, дерево). Приходячи в дотик із водою або іншими рідинами, такі тіла дуже часто вбирають їх у себе. У цьому проекті показано важливість капілярів у житті живих та неживих організмів.
Мета дослідницької роботи: обґрунтувати з погляду фізики причину руху рідини капілярами, виявити особливості капілярних явищ.
Об'єкт дослідження: властивість рідин, що всмоктується, підніматися або опускатися по капілярах.
Предмет дослідження: капілярні явища у живій та неживій природі.
- Вивчити теоретичний матеріал про властивості рідини.
- Ознайомитись з матеріалом про капілярні явища.
- Провести серію експериментів з метою з'ясування причин підняття рідини в капілярах.
- Узагальнити вивчений під час роботи матеріал та сформулювати висновок.
Перш ніж перейти до вивчення капілярних явищ, треба ознайомитись із властивостями рідини, які відіграють чималу роль у капілярних явищах.
Поверхневий натяг
Сам термін «поверхневий натяг» має на увазі, що речовина біля поверхні знаходиться в «натягнутому», тобто напруженому стані, яке пояснюється дією сили, яка називається внутрішнім тиском. Вона стягує молекули всередину рідини у напрямі, перпендикулярному її поверхні. Так, молекули, що знаходяться у внутрішніх шарах речовини, відчувають у середньому однакове за всіма напрямками тяжіння з боку навколишніх молекул; молекули поверхневого шару піддаються неоднаковому тяжінню з боку внутрішніх шарів речовин і з боку, що межує з поверхневим шаром середовища. Наприклад, на поверхні розділу рідина - повітря молекули рідини, що знаходяться в поверхневому шарі, сильніше притягуються з боку сусідніх молекул внутрішніх шарів рідини, ніж молекул повітря. Це і є причиною відмінності властивостей поверхневого шару рідини від властивостей внутрішніх об'ємів.
Внутрішній тиск зумовлює втягування молекул, розташованих на поверхні рідини, всередину і тим самим прагне зменшити поверхню до мінімальної за цих умов. Сила, що діє на одиницю довжини межі розділу, що зумовлює скорочення поверхні рідини, називається силою поверхневого натягу або поверхневим натягом σ .
Поверхневе натяг різних рідин неоднаково, воно залежить від їх мольного обсягу, полярності молекул, здатності молекул до утворення водневого зв'язку між собою та ін.
При збільшенні температури поверхневий натяг зменшується за лінійним законом. На поверхневий натяг рідини впливають і домішки, що знаходяться в ній. Речовини, що послаблюють поверхневий натяг, називають поверхнево-активними (ПАР). По відношенню до води ПАР є нафтопродукти, спирти, ефір, мило та ін рідкі та тверді речовини. Деякі речовини збільшують поверхневий натяг. Домішки солей та цукру, наприклад.
Пояснення цьому дає МКТ. Якщо сили тяжіння між молекулами самої рідини більші за сили тяжіння між молекулами ПАР і рідини, то молекули рідини йдуть усередину з поверхневого шару, а молекули ПАР витісняються на поверхню. Очевидно, що молекули солі та цукру будуть втягнуті в рідину, а молекули води витіснені на поверхню. Таким чином, поверхневий натяг – основне поняття фізики та хімії поверхневих явищ – є однією з найбільш важливих характеристик і в практичному відношенні. Слід зазначити, що будь-яке серйозне наукове дослідження у сфері фізики гетерогенних систем потребує вимірювання поверхневого натягу. Історія експериментальних методів визначення поверхневого натягу, що налічує понад два століття, пройшла шлях від простих і грубих способів до прецизійних методик, що дозволяють знаходити поверхневе натяг з точністю до сотих часток відсотка. Інтерес до цієї проблеми особливо зріс останні десятиліття у зв'язку з виходом людини в космос, розвитком промислової будови, де капілярні сили в різних пристроях часто відіграють визначальну роль.
Один з таких методів визначення поверхневого натягу заснований на піднятті рідини, що змочує, між двома скляними пластинками. Їх слід опустити в посудину з водою і поступово зближувати паралельно один до одного. Вода почне підніматися між пластинками - її втягуватиме сила поверхневого натягу, про яку йдеться вище. Легко розрахувати коефіцієнт поверхневого натягу σ можна по висоті підйому води і зазору між пластинками d.
Сила поверхневого натягу F= 2σ L, де L- Довжина пластинки (двійка з'явилася через те, що вода стикається з обома пластинками). Ця сила утримує шар води маси m = ρ Ldуде ρ – щільність води. Таким чином, 2σ L = ρ Ldуg. Звідси можна знайти коефіцієнт поверхневого натягу σ = 1/2 (ρ gdу). (1) Але цікавіше зробити так: з одного кінця стиснути платівки разом, а з іншого залишити невеликий зазор.
Вода підніметься і утворює між пластинками напрочуд правильну поверхню. Перетин цієї поверхні вертикальною площиною – гіпербола. Для доказу достатньо формулу (1) замість d підставити новий вираз для зазору в цьому місці. З відповідності відповідних трикутників (див. рис. 2) d = D (x/L). Тут D- Зазор на кінці, L- Як і раніше довжина платівки, а x– відстань від місця зіткнення пластин до місця, де визначається зазор та висота рівня. Таким чином, σ = 1/2(ρ gу)D(x/L), або у= 2σ L/ρ gD(1/ х). (2)Рівняння (2) дійсно є рівнянням гіперболи.
Змочування та незмочування
Для детального вивчення капілярних явищ слід розглянути й деякі молекулярні явища, що виявляються на трифазному кордоні співіснування твердої, рідкої, газоподібної фаз, зокрема, розглядається дотик рідини з твердим тілом. Якщо сили зчеплення між молекулами рідини більші, ніж між молекулами твердого тіла, то рідина прагне зменшити межу (площу) свого зіткнення з твердим тілом, по можливості відступаючи від нього. Крапля такої рідини на горизонтальній поверхні твердого тіла набуде форми сплюснутої кулі. У цьому випадку рідина називається незмочує тверде тіло. Кут θ, утворений поверхнею твердого тіла і дотичної поверхні рідини, називається крайовим. Для несмачивающей θ > 90°. У цьому випадку тверда поверхня, незмочувана рідиною називається гідрофобною, або олоефільною. Якщо ж сили зчеплення між молекулами рідини менші, ніж між молекулами рідини та твердого тіла, то рідина прагне збільшити межу зіткнення з твердим тілом. У цьому випадку рідина називається змочує тверде тіло; крайовий кут 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.
Змочуваність і несмачиваемость – поняття відносні: рідина, що змочує одне тверде тіло, може змочувати інше тіло. Наприклад, вода змочує скло, але не змочує парафін; ртуть не змочує скло, але змочує мідь.
Змочування зазвичай сприймається як результат дії сил поверхневого натягу. Нехай поверхневий натяг на кордоні повітря – рідина 1,2, на кордоні рідина – тверде тіло 1,3, на кордоні повітря – тверде тіло 2,3.
На одиницю довжини периметра змочування діють три сили, чисельно рівні 1,2, 2,3, 1,3, спрямовані по дотичній до відповідних кордонів розділу. У разі рівноваги всі сили повинні врівноважувати одна одну. Сили 2,3 і 1,3 діють у площині поверхні твердого тіла, сила 1,2 спрямована до поверхні під кутом .
Умова рівноваги міжфазних поверхонь має такий вигляд: σ 2,3 = σ 1,3 + σ 1,2cosθ або cosθ =(σ 2,3 − σ1 ,3)/σ 1,2
Величину cosθ прийнято називати змочуванням і позначати літерою.
Певний вплив на змочування має стан поверхні. Змочуваність різко змінюється за наявності мономолекулярного шару вуглеводнів. Останні завжди присутні в атмосфері в достатніх кількостях. Певний вплив на змочування має і мікрорельєф поверхні. Однак досі поки не виявлено єдину закономірність впливу шорсткості будь-якої поверхні на змочування її будь-якою рідиною. Наприклад, рівняння Венцеля-Дерягіна cosθ = x cosθ0 пов'язує крайові кути рідини на шорсткої (θ ) і гладкій (θ 0) поверхнях з відношенням x площі істинної поверхні шорсткого тіла до її проекції на площину. Однак на практиці це рівняння не завжди дотримується. Так, згідно з цим рівнянням у разі змочування (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 - для його збільшення (тобто до більшої гідрофобності). Виходячи з цього і даються, як правило, відомості про вплив шорсткості на змочування.
На думку багатьох авторів, швидкість розтікання рідини на шорсткої поверхні нижче внаслідок того, що рідина при розтіканні відчуває затримуючий вплив гірок, що зустрічаються горбків (гребенів). Необхідно відзначити, що саме швидкість зміни діаметра плями, утвореного строго дозованої краплею рідини, нанесеної на чисту поверхню матеріалу, використовується як основна характеристика змочування в капілярах. Її величина залежить як від поверхневих явищ, і від в'язкості рідини, її щільності, летючості.
Очевидно, що більш в'язка рідина з іншими однаковими властивостями довше розтікається по поверхні і, отже, повільніше протікає по капілярному каналу.
Капілярні явища
Капілярні явища, сукупність явищ, обумовлених поверхневим натягом на межі розділу середовищ, що не змішуються (у системах рідина - рідина, рідина - газ або пара) за наявності викривлення поверхні. Окремий випадок поверхневих явищ.
Досліджуючи докладно сили, що лежать в основі капілярних явищ, варто перейти безпосередньо до капілярів. Так, досвідченим шляхом можна поспостерігати, що рідина, що змочує (наприклад, вода в скляній трубці) піднімається по капіляру. При цьому чим менше радіус капіляра, тим на велику висоту піднімається в ній рідина. Рідина, що не змочує стінки капіляра (наприклад, ртуть зі скляною трубкою), опускається нижче рівня рідини в широкій посудині. Так чому ж рідина, що змочує, піднімається по капіляру, а незмочує опускається?
Не важко помітити, що безпосередньо біля стінок судини поверхня рідини дещо викривлена. Якщо молекули рідини, що стикаються зі стінкою судини, взаємодіють з молекулами твердого тіла сильніше, ніж між собою, в цьому випадку рідина прагне збільшити площу зіткнення з твердим тілом (змочує рідина). При цьому поверхня рідини згинається вниз і говорять, що вона змочує стінки судини, в якій знаходиться. Якщо молекули рідини взаємодіють між собою сильніше, ніж з молекулами стінок судини, то рідина прагне скоротити площу зіткнення з твердим тілом, її поверхня викривляється вгору. У цьому випадку говорять про незмочування рідиною стінок судини.
У вузьких трубочках, діаметр яких становить частки міліметра, викривлені краї рідини охоплюють весь поверхневий шар, і вся поверхня рідини в таких трубочках має вигляд, що нагадує півсферу. Це так званий меніск. Він може бути увігнутим, що спостерігається у разі змочування, і опуклим при незмочуванні. Радіус кривизни поверхні рідини при цьому того ж порядку, що й радіус трубки. Явища змочування і незмочування в даному випадку також характеризується крайовим кутом між змоченою поверхнею капілярної трубки і меніском в точках їх дотику.
Під увігнутим меніском рідини, що змочує, тиск менше, ніж під плоскою поверхнею. Тому рідина у вузькій трубці (капілярі) піднімається доти, поки гідростатичний тиск піднятої в капілярі рідини на рівні плоскої поверхні не компенсує різницю тисків. Під опуклим меніском несмачивающей рідини тиск більше, ніж під плоскою поверхнею, і це веде до опускання несмачивающей рідини.
Наявність сил поверхневого натягу та кривизни поверхні рідини в капілярній трубочці відповідальна за додатковий тиск під викривленою поверхнею, що називається тиском Лапласа: ∆ p= ± 2σ / R.
Знак капілярного тиску (плюс або мінус) залежить від знака кривизни. Центр кривизни опуклої поверхні знаходиться усередині відповідної фази. Випуклі поверхні мають позитивну кривизну, увігнуті – негативну.
Так, умова рівноваги рідини у капілярній трубочці визначається рівністю
p 0 = p 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)
де ρ – щільність рідини, h- Висота її підняття в трубочці, p 0 – атмосферний тиск.
З цього виразу випливає, що h= 2σ /ρ gR. (2)
Перетворимо отриману формулу, висловивши радіус кривизни Rменіска через радіус капілярної трубочки r.
З рис. 6.18 випливає, що r = R cosθ. Підставляючи (1) (2), отримуємо: h= 2σ cosθ /ρ gr.
Отримана формула, що визначає висоту підняття рідини в капілярній трубочці, зветься формулою Жюрена. Очевидно, що менше радіус трубки, тим більшу висоту піднімається у ній рідина. Крім того, висота підняття зростає із збільшенням коефіцієнта поверхневого натягу рідини.
Підйом рідини, що змочує, по капіляру можна пояснити і по-іншому. Як було сказано раніше, під впливом сил поверхневого натягу поверхня рідини прагне скоротитися. Внаслідок цього поверхня увігнутого меніска прагне випростатися і стати плоскою. При цьому вона тягне за собою частинки рідини, що лежать під нею, і піднімається рідина по капіляру вгору. Але поверхня рідини у вузькій плоскій трубці залишатися не може, вона повинна мати форму увігнутого меніска. Як тільки в новому положенні дана поверхня набуде форми меніска, вона знову намагатиметься скоротитися і т.д. В результаті дії цих причин змочує рідина і піднімається капіляром. Підняття припиниться, коли сила тяжіння Fтяж піднятого стовпа рідини, яка тягне поверхню вниз, врівноважить рівнодію силу F сил поверхневого натягу, спрямованих стосовно кожної точки поверхні.
По колу зіткнення поверхні рідини зі стінкою капіляра діє сила поверхневого натягу, що дорівнює добутку коефіцієнта поверхневого натягу на довжину кола: 2σπ r, де r- Радіус капіляра.
Сила тяжіння, що діє на підняту рідину,
Fтяж = mg = ρ Vg = ρπ r^2hg
де ρ – густина рідини; h- Висота стовпа рідини в капілярі; g- Влаштування сили тяжіння.
Підйом рідини припиняється, коли Fтяж = Fабо ρπ r^2hg= 2σπ r. Звідси висота підняття рідини у капілярі h= 2σ /ρ gR.
У разі несмачивающей рідини остання, прагнучи скоротити свою поверхню, опускатиметься вниз, виштовхуючи рідину з капіляра.
Виведена формула застосовна і для несмачивающей рідини. В цьому випадку h- Висота опускання рідини в капілярі.
Капілярні явища у природі
Капілярні явища також дуже поширені у природі часто використовуються в практичній діяльності людини. Дерево, папір, шкіра, цегла і багато інших предметів, що оточують нас, мають капіляри. За рахунок капілярів вода піднімається по стеблах рослин і вбирається в рушник, коли ми витираємося. Підняття води по найдрібніших отворах у шматку цукру, забір крові з пальця – це також приклади капілярних явищ.
Кровоносна система людини, починаючи з дуже товстих судин, закінчується дуже розгалуженою мережею найтонших капілярів. Можуть викликати інтерес, наприклад такі дані. Площа поперечного перерізу аорти дорівнює 8 см2. Діаметр кровоносного капіляра може бути в 50 разів менше діаметра людського волосся при довжині 0,5 мм. У тілі дорослої людини є близько 160 млрд. капілярів. Їхня загальна довжина доходить до 80 тис. км.
За численними капілярами, що є в грунті, вода з глибинних шарів піднімається до поверхні та інтенсивно випаровується. Щоб уповільнити процес втрати вологи, капіляри руйнують шляхом розпушення ґрунту за допомогою борін, культиваторів, розпушувачів.
Практична частина
Візьмемо скляну трубочку з дуже маленьким внутрішнім діаметром ( 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.
Підняття рідини внаслідок дії сил поверхневого натягу води можна спостерігати у простому досвіді. Візьмемо чисту ганчірочку і опустимо один її кінець у склянку з водою, а інший звісимо назовні через край склянки. Вода почне підніматися по порах тканини, аналогічним капілярним трубкам, і просочить всю ганчірочку. Надлишок води капатиме з висить кінця (див. фото 2).
Якщо для досвіду брати тканину світлого кольору, то на фото дуже погано видно, як вода поширюється тканиною. Також слід мати на увазі, що не для будь-якої тканини надлишок води капатиме з кінця, що звисає. Я цей досвід робив двічі. Вперше використали світлу тканину (х/б трикотаж); вода дуже добре стікала краплями з кінця, що висить. Другий раз використовували темну тканину (трикотаж із змішаних волокон – бавовняна і синтетика); добре було видно як вода поширюється по тканині, але краплі зі звисаючого кінця не капали.
Підняття рідини по капілярах відбувається тоді, коли сили тяжіння молекул рідини один до одного менші за сили їх тяжіння до молекул твердого тіла. У цьому випадку говорять, що рідина змочує тверде тіло.
Якщо взяти не дуже тонку трубочку, набрати в неї води і закрити пальцем нижній кінець трубки, можна побачити, що рівень води в трубці увігнутий (рис. 9).
Це результат того, що молекули води сильніше притягуються до молекул стінок судини, ніж одна до одної.
Не всі рідини і не у всяких трубках «чіплюються» за стіни. Буває і так, що рідина в капілярі опускається нижче рівня у широкій посудині, при цьому її поверхня - опукла. Про таку рідину говорять, що вона змочує поверхню твердого тіла. Притягання молекул рідини одна до одної сильніше, ніж молекул стінок судини. Так поводиться, наприклад, ртуть у скляному капілярі. (Мал.10)
Висновок
Отже, під час цієї роботи я переконався, що:
- Капілярні явища відіграють велику роль у природі.
- Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння, що діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною по модулю результуючої силі.
- Змочує рідина в капілярах піднімається вгору, а незмочує - опускається вниз.
- Висота підняття рідини в капілярі прямо пропорційна поверхневому натягу її і обернено пропорційна радіусу каналу капіляра і щільності рідини.
Серед процесів, які можна пояснити за допомогою поверхневого натягу та змочування рідин, варто особливо виділити капілярні явища. Фізика - це загадкова і незвичайна наука, без якої життя Землі було б неможлива. Давайте розглянемо найяскравіший приклад цієї важливої дисципліни.
У життєвій практиці такі цікаві з погляду фізики процеси, як капілярні явища, трапляються дуже часто. Вся справа в тому, що в повсякденному житті нас оточує багато тіл, які легко вбирають рідину. Причина цього – їх пориста структура та елементарні закони фізики, а результат – капілярні явища.
Вузькі трубки
Капіляр – це дуже вузька трубка, в якій рідина поводиться особливим чином. Прикладів таких судин багато в природі – капіляри кровоносної системи, пористих тіл, ґрунту, рослин тощо.
Капілярним явищем називається підйом або опускання рідин вузькими трубками. Такі процеси спостерігаються у природних каналах людини, рослин та інших тіл, а також у спеціальних вузьких судинах зі скла. На картинці видно, що в трубках, що сполучаються, різної товщини встановився різний рівень води. Відзначено, що чим тонша судина, тим вищий рівень води.
Ці явища лежать в основі поглинаючих властивостей рушника, живлення рослин, руху чорнила по стрижню та багатьох інших процесів.
Капілярні явища у природі
Описаний вище процес надзвичайно важливий підтримки життєдіяльності рослин. Грунт досить пухкий, між його частинками існують проміжки, які є капілярною мережею. По цих каналах піднімається вода, живлячи кореневу систему рослин вологою та всіма необхідними речовинами.
За цими ж капілярами рідина активно випаровується, тому необхідно виробляти орання землі, яке зруйнує канали та утримає поживні речовини. І навпаки, притиснута земля швидше випарує вологу. Цим обумовлена важливість переорювання землі для утримання підґрунтової рідини.
У рослинах капілярна система забезпечує підйом вологи від дрібних корінців до верхніх частин, а через листя вона випаровується у зовнішнє середовище.
Поверхневий натяг та змочування
В основі питання про поведінку рідини в судинах лежать такі фізичні процеси, як поверхневий натяг та змочування. Капілярні явища, зумовлені ними, вивчаються у комплексі.
Під дією сили поверхневого натягу змочує рідина в капілярах знаходиться вище рівня, на якому вона повинна знаходитися згідно із законом судин, що сполучаються. І навпаки, несмачивающая субстанція розташовується нижче за цей рівень.
Так, вода в скляній трубці (змочує рідина) піднімається тим більшу висоту, ніж тонша посудина. Навпаки, ртуть у скляній пробірці (не змочує рідина) опускається тим нижче, чим тонша ця ємність. Крім того, як зазначено на картинці, рідина, що змочує, утворює увігнуту форму меніска, а незмочує - опуклу.
Змочування
Це явище, яке відбувається на межі, де рідина стикається з твердим тілом (іншою рідиною, газами). Воно виникає через особливу взаємодію молекул на межі їх контакту.
Повне змочування означає, що крапля розтікається поверхнею твердого тіла, а незмочування перетворює її на сферу. Насправді найчастіше зустрічається той чи інший ступінь змочування, ніж крайні варіанти.
Сила поверхневого натягу
Поверхня краплі має кулясту форму і причина цього закону, що діє на рідини, - поверхневий натяг.
Капілярні явища пов'язані з тим, що увігнута сторона рідини в трубці прагне випрямитись до плоского стану завдяки силам поверхневого натягу. Це супроводжується тим, що зовнішні частинки захоплюють у себе тіла, що знаходяться під ними, і субстанція піднімається вгору по трубці. Однак рідина в капілярі не може набувати плоскої форми поверхні, і цей процес підйому триває до певного моменту рівноваги. Щоб розрахувати висоту, яку підніметься (опуститься) стовп води, потрібно скористатися формулами, які будуть представлені нижче.
Розрахунок висоти підйому стовпа води
Момент зупинки підйому води у вузькій трубці настає, коли сила тяжіння Р тяж субстанції врівноважує силу поверхневого натягу F. Цей момент визначає висоту підйому рідини. Капілярні явища обумовлені двома різноспрямованими силами:
- сила тяжкості Р тяж змушує рідину опускатися вниз;
- сила поверхневого натягу F рухає воду нагору.
Сила поверхневого натягу, що діє по колу, де рідина стикається зі стінками трубки, дорівнює:
де r – радіус трубки.
Сила тяжіння, що діє на рідину в трубці дорівнює:
Р тяж = ρπr2hg,
де ρ – щільність рідини; h - висота стовпа рідини у трубці;
Отже, субстанція припинить підніматися за умови, що Р тяж = F, а це означає, що
ρπr 2 hg = σ2πr,
звідси висота рідини в трубці дорівнює:
Так само для несмачивающей рідини:
h – це висота опускання субстанції у трубці. Як видно з формул, висота, на яку підніметься вода у вузькій посудині (опуститься) обернено пропорційно радіусу ємності та щільності рідини. Це стосується рідини, що змочує, і незмочує. За інших умов потрібно робити поправку формою меніска, що буде представлено в наступному розділі.
Лапласівський тиск
Як уже зазначалося, рідина у вузьких трубках поводиться так, що створюється враження порушення закону судин, що сполучаються. Цей факт завжди супроводжує капілярні явища. Фізика пояснює це за допомогою лапласівського тиску, який при змочувальній рідині спрямований вгору. Опускаючи вузьку трубку у воду, спостерігаємо, як рідина втягується на певний рівень h. За законом сполучених судин, вона мала врівноважитись із зовнішнім рівнем води.
Ця невідповідність пояснюється напрямом лапласівського тиску p л:
В даному випадку воно спрямоване нагору. Вода втягується в трубку до рівня, де приходить врівноважування з гідростатичним тиском р стовпа води:
а якщо p л = p р, можна прирівняти і дві частини рівняння:
Тепер висоту h легко вивести у вигляді формули:
Коли змочування повне, тоді меніск, який утворює увігнуту поверхню води, має форму півсфери, де =0. У такому разі радіус сфери R дорівнюватиме внутрішньому радіусу капіляра r. Звідси отримуємо:
А у разі неповного змочування, коли ?0, радіус сфери можна обчислити за формулою:
Тоді висота, що має поправку на кут, буде дорівнювати:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
З представлених рівнянь видно, що висота h обернено пропорційна внутрішньому радіусу трубки r. Найбільшої висоти вода досягає в судинах, що мають діаметр людського волосся, які називаються капілярами. Як відомо, рідина, що змочує, втягується вгору, а незмочує - виштовхується вниз.
Можна провести експеримент, взявши сполучені судини, де одна з них широка, а інша - дуже вузька. Наливши туди воду, можна відзначити різний рівень рідини, причому у варіанті зі змочує субстанцією рівень у вузькій трубці вище, а з несмачивающей - нижче.
Важливість капілярних явищ
Без капілярних явищ існування живих організмів просто неможливе. Саме по найдрібніших судинах людське тіло отримує кисень та поживні речовини. Коріння рослин - це мережа капілярів, яка витягує вологу із землі, доносячи її до верхнього листя.
Просте побутове прибирання неможливе без капілярних явищ, адже за цим принципом тканина вбирає воду. Рушник, чорнило, гніт у масляній лампі та безліч пристроїв працює на цій основі. Капілярні явища у техніці відіграють важливу роль при сушінні пористих тіл та інших процесах.
Іноді ці явища дають небажані наслідки, наприклад, пори цегли вбирають вологу. Щоб уникнути відсирювання будівель під впливом ґрунтових вод, потрібно захистити фундамент за допомогою гідроізолюючих матеріалів – бітуму, руберойду або толю.
Промокання одягу під час дощу, наприклад, штанів до колін від ходьби по калюжах також має капілярним явищам. Навколо нас безліч прикладів цього природного феномену.
Експеримент із квітами
Приклади капілярних явищ можна знайти у природі, особливо якщо говорити про рослини. Їхні стовбури мають усередині безліч дрібних судин. Можна провести експеримент із фарбуванням квітки в будь-який яскравий колір у результаті капілярних явищ.
Потрібно взяти яскраво забарвлену воду та білу квітку (або листок пекінської капусти, стебло селери) і поставити в склянку з цією рідиною. Через якийсь час на листі пекінської капусти можна спостерігати, як фарба просувається вгору. Колір рослини поступово зміниться відповідно до фарби, в яку він поміщений. Це зумовлено рухом субстанції вгору стеблами відповідно до тих законів, які були розглянуті нами у цій статті.
Змінювати рівень у трубках, вузьких каналах довільної форми, пористих тілах. Підняття рідини відбувається у випадках змочування каналів рідинами, наприклад, води в скляних трубках, піску, грунті і т. п. Зниження рідини відбувається в трубках і каналах, що не змочуються рідиною, наприклад ртуть у скляній трубці.
На основі капілярності заснована життєдіяльність тварин і рослин, хімічні технології, побутові явища (наприклад, підйом гасу за ґнотом у гасовій лампі, витирання рук рушником). Капілярність ґрунту визначається швидкістю, з якою вода піднімається у ґрунті та залежить від розміру проміжків між ґрунтовими частинками.
Капілярами називаються тонкі трубки, а також найтонші судини в організмі людини та інших тварин (див. Капіляр (біологія)).
Див. також
Література
- Прохоренко П. П. Ультразвуковий капілярний ефект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Є. Коновалов; За ред. В. В. Клубовича. 135 с. Мінськ: «Наука та техніка», 1981.
Посилання
- Горін Ю. В. Покажчик фізичних ефектів та явищ для використання при вирішенні винахідницьких завдань (ТРИЗ-інструмент) // Глава. 1.2 Поверхневий натяг рідин. Капілярність.
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитись що таке "Капіляр (фізика)" в інших словниках:
Слово капіляр застосовується для позначення дуже вузьких трубок, якими може проходити рідина. Докладніше дивись у статті Капілярний ефект. Капіляр (біологія) – найдрібніший вид кровоносних судин. Капіляр (фізика) Капілярний ... Вікіпедія
Критерій Ландау надплинності співвідношення між енергіями та імпульсами елементарних збуджень системи (фононів), що зумовлює можливість її знаходження у надплинному стані. Зміст 1 Формулювання критерію 2 Висновок критерію … Вікіпедія
Зовнішній блок спліт системи та конденсатори (вентиляторні градирні) торговельного холодильного обладнання на одній стійці Кліматичне та холодильне обладнання обладнання, засноване на роботі холодильних машин.
Зміна температури газу в результаті повільного протікання його під дією постійного перепаду тиску крізь дросель місцеву перешкоду потоку газу (капіляр, вентиль або пористу перегородку, розташовану в трубі на шляху).
Є безбарвною прозорою рідиною, що кипить при атмосферному тиску при температурі 4,2 К (рідкий 4He). Щільність рідкого гелію при температурі 4,2 К становить 0,13 г/см3. Володіє малим коефіцієнтом заломлення, через… … Вікіпедія
Ефект фонтанування, поява в надплинній рідині різниці тиску Δр, обумовленої різницею температур ΔТ (див. надплинність). Т. е. проявляється в рідкому надплинному гелії у відмінності рівнів рідини у двох судинах, … Велика Радянська Енциклопедія
Кожен з нас легко згадає чимало речовин, які він вважає рідинами. Однак дати точне визначення цього стану речовини не так просто, оскільки рідини мають такі фізичні властивості, що в одних відносинах вони ... Енциклопедія Кольєра
Капілярність (від латів. capillaris волосяний), капілярний ефект – фізичне явище, що полягає у здатності рідин змінювати рівень у трубках, вузьких каналах довільної форми, пористих тілах. Підняття рідини відбувається у випадках… … Вікіпедія
