Смачивание и капиллярность. Полные уроки — Гипермаркет знаний

Если вы любите пить коктейли или другие напитки из трубочки, то наверняка замечали, что когда один из ее концов опущен в жидкость, уровень напитка в ней несколько выше, чем в чашке или бокале. Почему так происходит? Обычно люди над этим не задумываются. А вот физики подобные феномены уже давно успели хорошо изучить и даже дали им собственное название - капиллярные явления. Пришел и наш черед выяснить, почему так происходит и как объясняется данные феномен.

Почему происходят капиллярные явления

В природе всему происходящему есть разумное объяснение. Если жидкость является смачивающей (к примеру, вода в пластмассовой трубке), она будет подниматься вверх по трубочке, а если несмачивающей (например, ртуть в стеклянной колбочке) - то опускаться. Причем чем меньше радиус такого капилляра, тем на большую высоту поднимется или опустится жидкость. Чем объясняются такие капиллярные явления? Физика говорит, что они происходят в результате воздействия сил Если приглядеться к поверхностному слою жидкости в капилляре, то можно заметить, что по своей форме он представляет собой некую окружность. Вдоль ее границы на стенки трубочки оказывает так называемого поверхностного натяжения. Причем, для смачивающей жидкости вектор ее направления обращен вниз, а для несмачивающей - вверх.

Согласно третьему она неизбежно вызывает равное ей по модулю противодействующее давление. Как раз оно и заставляет подниматься или опускаться жидкость в узкой трубке. Этим и объясняются всевозможные капиллярные явления. Впрочем, наверняка у многих уже возник закономерный вопрос: «А когда же прекратится подъем или опускание жидкости?» Это произойдет в том случае, когда сила тяжести, или сила Архимеда, уравновесит силу, заставляющую жидкость двигаться по трубочке.

Как можно использовать капиллярные явления?

С одним из применений данного явления, которое получило широкое распространение в производстве канцелярских изделий, знаком практически каждый студент или ученик. Вы, наверное уже догадались, что речь идет о

Поверхностное натяжение сравнительно легко определяется экспериментально. Существуют различные методы определения поверхностного натяжении, которые делятся на статические, полустатичсскис и динамические. Статические методы основаны на капиллярных явлениях, связанных с искривлением поверхности раздела фаз.

С появлением кривизны поверхности между фазами меняется внутреннее давление тела и возникает дополнительное (капиллярное) давление Лапласа Р, которое может увеличивать или уменьшать внутреннее давление, характерное для ровной поверхности. Это дополнительное давление можно представить как равнодействующую сил поверхностного натяжения, направленную в центр кривизны перпендикулярно поверхности. Кривизна может быть положительной и отрицательной (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема образования дополнительного давления для поверхности с положительной (а) и отрицательной (б) кривизной

Изменение объема жидкости происходит в результате самопроизвольного уменьшения поверхностной энергии и превращения ее в механическую энергию изменения объема тела. При этом в уравнении (2.2) для энергии Гельмгольца при постоянных Т, n,q следует рассматривать только два слагаемых dF = -pdV + ods . При равновесии dF = 0, поэтому pdV = ods . В этом выражении р = Р - дополнительное давление (давление Лапласа), равное разности давлений между давлением тела с плоской и изогнутой поверхностями (АР):

Отношение называется кривизной поверхности.

Для сферической поверхности . Подставляя это выражение

в уравнение для дополнительного давления, получаем уравнение Лапласа:

в котором г - радиус кривизны; - кривизна или дисперсность (рис. 2.3).

Если поверхность имеет неправильную форму, используют представление о средней кривизне и уравнение Лапласа имеет вид

где Гр /*2 - главные радиусы кривизны.

Рис. 2.3. Капиллярное поднятие жидкости при смачивании (а) и несмачивании (о) стенок капилляра

Для поверхностного натяжение уравнение Лапласа можно переписать в виде , показывающем пропорциональность поверхностного

натяжения радиусу капилляра г и давлению Р, при котором происходит проскок газового пузырька из капилляра, опущенного в жидкость. Именно на этой пропорциональности основан метод экспериментального определения поверхностного натяжения Ребиндера.

В методе Ребиндера измеряется давление, при котором происходит проскок газового пузырька из капилляра, опущенного жидкость. В момент проскакивания пузырька измеряемое давление будет равно капиллярному, в радиус кривизны поверхности - радиусу капилляра. В опыте радиус капилляра измерить практически невозможно, поэтому проводят относительные измерения: определяют давление в газовом пузырьке, проскакивающем через жидкость с известным поверхностным натяжением (эту жидкость называют стандартной), а затем - давление Р в газовом пузырьке, проскакивающем через жидкость с определяемым поверхностным натяжением. В качестве стандартной жидкости обычно используется дистиллированная вода, а для точных измерений - бидистиллят.

Отношение поверхностного натяжения стандартной жидкости к давлению в пузырьке, который через нее проскакивает, называют константой

капилляра . При известной величине поверхностного натяжения

(т 0 и измеренных давлениях и Р для стандартной и исследуемой жидкости поверхностное натяжение последней определяется основной расчетной формулой данного метода:

Если значение известно с высокой точностью, то величина поверхностного натяжения определяемой жидкости тоже будет точной. Метод Ребиндера дает точность определения поверхностного натяжения до 0,01 мДж/м 2 .

При использовании метода поднятия измеряют высоту поднятия (или опускания) жидкости в капилляре и сравнивают сс с высотой поднятия стандартной жидкости, у которой поверхностное натяжение известно (рис. 2.4).

Рис. 2.4.

Причина капиллярного поднятия заключается в том, что жидкость, смачивая стенки капилляра, образует определенную кривизну поверхности, а возникающее при этом капиллярное давление Лапласа поднимает жидкость в капилляре до тех пор, пока вес столба жидкости не уравновесит действующую силу. Поднятие жидкости в капилляре наблюдается тогда, когда кривизна поверхности жидкости отрицательна. При вогнутом мениске давление Лапласа стремится растянуть жидкость и поднимает ее, такое капиллярное поднятие называется положительным, оно характерно для жидкостей, которые смачивают стенки капилляра (например, в системе стекло - вода). Наоборот, если кривизна поверхности положительна (выпуклый мениск), то дополнительное давление стремится сжать жидкость и наблюдается ее опускание в капилляре, которое называют отрицательным капиллярным подъемом. Подобное явление характерно для случаев несмачивания жидкостью стенок капилляра (например, в системе стекло - ртуть).

Судя но рис. 2.4. смачивание влияет на геометрию поверхности и если г - радиус кривизны, то радиус самого капилляра R связан с ним соотношением

где в - краевой угол смачивания (острый при условии смачивания жидкостью стенок капилляра). Из последнего соотношения следует, что

Подставляя это соотношение в уравнение (2.4), получаем

Если учесть, что давление столба жидкости в уравнении pdV = ods связано с его высотой как mgh = V(p-p^)gh, можно получить соотношение и далее формулу Жюрена:

где h - высота поднятия жидкости в капилляре; р - плотность жидкости; p s - плотность ее насыщенного пара; g - ускорение свободного падения.

При условии, что плотность жидкости р и плотность ее насыщенного пара p s несопоставимы (р »p s) для поверхностного натяжения можно записать

В более упрощенной формуле предполагается еще и полное смачивание стенок сосуда жидкостью (cos в = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

При практическом использовании метода вычисление поверхностного натяжения производят по формуле

где и h - высота поднятия в капилляре стандартной и исследуемой жидкостей; р^и р - их плотности.

Использовать этот метод как точный можно при условии cos в - const , лучше в = 0°, что для многих жидкостей приемлемо без дополнительных условий. В эксперименте необходимо использовать тонкие капилляры, хорошо смачиваемые жидкостью. Метод капиллярного поднятия также может дать высокую точность определения поверхностного натяжения, до 0,01-0,1 мДж/м

Изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п. Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.

На основе капилярности основана жизнедеятельность животных и растений, химические технологии, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами.

Капиллярами назваются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных (см. Капилляр (биология)).

См. также

Литература

• Прохоренко П. П. Ультразвуковой капиллярный эффект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Е. Коновалов; Под ред. В. В. Клубовича. 135 с. Минск: «Наука и техника», 1981.

Ссылки

• Горин Ю. В. Указатель физических эффектов и явлений для использования при решении изобретательских задач (ТРИЗ-инструмент) // Глава. 1.2 Поверхностное натяжение жидкостей. Капиллярность.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Капилляр (физика)" в других словарях:

Слово капилляр применяется для обозначения очень узких трубок, через которые может проходить жидкость. Подробнее смотри в статье Капиллярный эффект. Капилляр (биология) самый мелкий вид кровеносных сосудов. Капилляр (физика) Капиллярный… … Википедия

Критерий Ландау сверхтекучести соотношение между энергиями и импульсами элементарных возбуждений системы (фононов), обуславливающее возможность её нахождения в сверхтекучем состоянии. Содержание 1 Формулировка критерия 2 Вывод критерия … Википедия

Внешний блок сплит системы и конденсаторы (вентиляторные градирни) торгового холодильного оборудования на одной стойке Климатическое и холодильное оборудование оборудование, основанное на работе холодильных маши … Википедия

Изменение температуры газа в результате медленного протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути… …

Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при атмосферном давлении при температуре 4,2 К (жидкий 4He). Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым коэффициентом преломления, из за… … Википедия

Эффект фонтанирования, появление в сверхтекучей жидкости разности давлений Δр, обусловленной разностью температур ΔТ (см. Сверхтекучесть). Т. э. проявляется в жидком сверхтекучем гелии в различии уровней жидкости в двух сосудах,… … Большая советская энциклопедия

Каждый из нас без труда припомнит немало веществ, которые он считает жидкостями. Однако дать точное определение этого состояния вещества не так то просто, поскольку жидкости обладают такими физическими свойствами, что в одних отношениях они… … Энциклопедия Кольера

Капиллярность (от лат. capillaris волосяной), капиллярный эффект физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях… … Википедия

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда особенно отчетливо видно в узких трубках, где искривляется вся свободная поверхность жидкости. В трубках с узким сечением эта поверхность представляет собой часть сферы, ее называют мениском . У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 1, а), а у несмачивающей - выпуклый (рис. 1, б).

Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь поперечного сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться.

Силы поверхностного натяжения создают дополнительное (лапласово) давление под искривленной поверхностью жидкости.

Для расчета избыточного давления предположим, что поверхность жидкости имеет форму сферы радиуса R (рис. 2. а), от которой мысленно отсечен шаровой сегмент, опирающийся на окружность радиуса .

На каждый бесконечно малый элемент длины этого контура действует касательная к поверхности сферы сила поверхностного натяжения, модуль которой . Разложим вектор на две составляющие силы . Из рисунка 2, а видим, что геометрическая сумма сил для двух выделенных диаметрально противоположных элементов равна нулю. Поэтому сила поверхностного натяжения направлена перпендикулярно плоскости сечения внутрь жидкости (рис. 2, в) и модуль ее равен

Избыточное давление, создаваемое этой силой

где - площадь основания сферического сегмента. Поэтому

Если поверхность жидкости вогнутая, то сила поверхностного натяжения направлена из жидкости (рис. 2, б) и давление под вогнутой поверхностью жидкости меньше, чем под плоской, на ту же величину . Эта формула определяет лапласово давление для случая сферической формы свободной поверхности жидкости. Она является частным случаем формулы Лапласа, определяющей избыточное давление для произвольной поверхности жидкости двоякой кривизны:

где - радиусы кривизны двух любых взаимно перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости. Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости. Для цилиндрической поверхности избыточное давление .

Если поместить узкую трубку (капилляр ) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие наличия силы лапласова давления жидкость в капилляре поднимается (если жидкость смачивающая) или опускается (если жидкость несмачивающая) (рис. 3, а, б), так как под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет.

Капиллярные явления , поверхностные явления на границе жидкости с др. средой, связанные с искривлением ее поверхности. Искривление поверхности жидкости на границе с газовой фазой происходит в результате действия поверхностного натяжения жидкости, которое стремится сократить поверхность раздела и придать ограниченному объему жидкости форму шара. Поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, такая форма отвечает минимуму поверхностной энергии жидкости, т.е. ее устойчивому равновесному состоянию. В случае достаточно больших масс жидкости действие поверхностного натяжения компенсируется силой тяжести, поэтому маловязкая жидкость быстро принимает форму сосуда, в который она налита, а ее своб. поверхность представляется практически плоской.

В отсутствие силы тяжести или в случае очень малых масс жидкость всегда принимает сферическую форму (капля), кривизна поверхности которой определяет мн. свойства вещества. Поэтому капиллярные явления ярко выражены и играют существенную роль в условиях невесомости, при дроблении жидкости в газовой среде (или распылении газа в жидкости) и образовании систем, состоящих из многих капель или пузырьков (эмульсий, аэрозолей, пен), при зарождении новой фазы капель жидкости при конденсации паров, пузырьков пара при вскипании, зародышей кристаллизации. При контакте жидкости с конденсированными телами (другой жидкостью или твердым телом) искривление поверхности раздела происходит в результате действия межфазного натяжения.

В случае смачивания, например, при соприкосновении жидкости с твердой стенкой сосуда, силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, вследствие чего примыкающий к стенке участок поверхности жидкости принимает вогнутую форму. В узких каналах, например, цилиндрических капиллярах, образуется вогнутый мениск - полностью искривленная поверхность жидкости (рис. 1).

Рис. 1. Капиллярное поднятие на высоту h жидкости, смачивающей стенки капилляра радиуса r; q - краевой угол смачивания.

Капиллярное давление.

Так как силы поверхностного (межфазного) натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости, искривление последней ведет к появлению составляющей, направленной внутрь объема жидкости. В результате возникает капиллярное давление, величина которого Dp связана со средним радиусом кривизны поверхности r 0 уравнением Лапласа :

Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)

где p 1 и p 2 - давления в жидкости 1 и соседней фазе 2 (газе или жидкости), s 12 - поверхностное (межфазное) натяжение.

Если поверхность жидкости вогнута (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 изменяется на обратный. Отрицательное капиллярное давление, возникающее в случае смачивания жидкостью стенок капилляра, приводит к тому, что жидкость будет всасываться в капилляр до тех пор, пока вес столба жидкости высотой h не уравновесит перепад давления Dp. В состоянии равновесия высота капиллярного поднятия определяется формулой Жюрена:

где r 1 и r 2 - плотности жидкости 1 и среды 2, g - ускорение силы тяжести, r - радиус капилляра, q - краевой угол смачивания. Для несмачивающих стенки капилляра жидкостей cos q < 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

Из выражения (2) следует определение капиллярной постоянной жидкости а = 1/2 . Она имеет размерность длины и характеризует линейный размер Z [ а, при котором становятся существенными капиллярные явления Так, для воды при 20 °С а = 0,38 см. При слабой гравитации (g: 0) значение а возрастает. На участке контакта частиц капиллярная конденсация приводит к стягиванию частиц под действием пониженного давления Dp < 0.

Уравнение Кельвина.

Искривление поверхности жидкости приводит к изменению над ней равновесного давления пара р по сравнению с давлением насыщенного пара p s над плоской поверхностью при той же температуре Т. Эти изменения описываются уравнением Кельвина:

где - молярный объем жидкости, R - газовая постоянная. Понижение или повышение давления пара зависит от знака кривизны поверхности: над выпуклыми поверхностями (r 0 > 0) p > p s ; над вогнутыми (r 0 < 0) р < р s . . Так, над каплями давление пара повышено; в пузырьках, наоборот, понижено.

На основании уравнения Кельвина рассчитывают заполнение капилляров или пористых тел при капиллярной конденсации . Так как значения р различны для частиц разных размеров или для участков поверхности, имеющей впадины и выступы, уравнение (3) определяет и направление переноса вещества в процессе перехода системы к состоянию равновесия. Это приводит, в частности, к тому, что относительно крупные капли или частицы растут за счет испарения (растворения) более мелких, а неровности поверхности некристаллические тела сглаживаются за счет растворения выступов и залечивания впадин. Заметные различия давления пара и растворимости имеют место лишь при достаточно малых r 0 (для воды, например, при r 0 . Поэтому уравнение Кельвина часто используется для характеристики состояния коллоидных систем и пористых тел и процессов в них.

Рис. 2. Перемещение жидкости на длину l в капилляре радиуса r; q - краевой угол.

Капиллярная пропитка.

Понижение давления под вогнутыми менисками - одна из причин капиллярного перемещения жидкости в сторону менисков с меньшим радиусом кривизны. Частным случаем этого является пропитка пористых тел - самопроизвольное всасывание жидкостей в лиофильные поры и капилляры (рис. 2). Скорость v перемещения мениска в горизонтально расположенном капилляре (или в очень тонком вертикальном капилляре, когда влияние силы тяжести мало) определяется уравнением Пуазейля :

где l - длина участка впитавшейся жидкости, h - ее вязкость, Dp - перепад давления на участке l , равный капиллярному давлению мениска: Dp = — 2s 12 cos q/r. Если краевой угол q не зависит от скорости v, можно рассчитать количество впитавшейся жидкости за время t из соотношения:

l (t ) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)

Если q есть функция v , то l и v связаны более сложными зависимостями.

Уравнения (4) и (5) используют для расчетов скорости пропитки при обработке древесины антисептиками , крашении тканей, нанесении катализаторов на пористые носители, выщелачивании и диффузионном извлечении ценных компонентов горных пород и др. Для ускорения пропитки часто используют ПАВ, улучшающие смачивание за счет уменьшения краевого угла q. Один из вариантов капиллярной пропитки - вытеснение из пористой среды одной жидкости другой, не смешивающейся с первой и лучше смачивающей поверхность пор. На этом основаны, например, методы извлечения остаточной нефти из пластов водными растворами ПАВ, методы ртутной порометрии. Капиллярное впитывание в поры растворов и вытеснение из пор несмешивающихся жидкостей, сопровождающиеся адсорбцией и диффузией компонентов, рассматриваются физико-химической гидродинамикой .

Помимо описанных равновесных состояний жидкости и ее движения в порах и капиллярах, к капиллярные явления относят также равновесные состояния очень малых объемов жидкости, в частности тонких слоев и пленок. Эти капиллярные явления часто называют капиллярные явления II рода. Для них характерны, например, зависимость поверхностного натяжения жидкости от радиуса капель и линейное натяжение. Капиллярные явления впервые исследованы Леонардо да Винчи (1561), Б. Паскалем (17 в.) и Дж. Жюреном (18 в.) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1804), А. Ю. Давыдова (1851), Дж. У. Гиббса (1876), И. С. Громеки (1879, 1886). Начало развития теории капиллярных явлений II рода положено трудами Б. В. Дерягина и Л. М. Щербакова.