Поиск

Капиллярные явления. Их природа
28.03.2015

Явления, объединяемые под названием капиллярных; возникают на границе раздела трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В основе этих явлений лежат силы, действующие между молекулами жидкости, с одной стороны, и между молекулами жидкости и молекулами твердого тела — с другой. Силы эти по своей природе относятся к категории так называемых сил Ван-дер-Ваальса.
Рассмотрим сначала явления, возникающие на границе раздела двух фаз — жидкой и газообразной, применительно к воде.
Силы притяжения, существующие и действующие между молекулами воды, вызывают на поверхности раздела явление, называемое поверхностным натяжением. Оно заключается в следующем.
Любая молекула внутри достаточно толстого слоя воды находится под влиянием притяжения со стороны всех окружающих ее молекул, взаимно притягивая их. Вследствие хаотического расположения этих молекул и их постоянного теплового движения исходящие от них силы притяжения, действующие на эту молекулу в каждый данный момент, не являются уравновешенными, поэтому и молекула также находится в состоянии постоянного движения. Ho в среднем воздействия, оказываемые соседними молекулами на данную молекулу, за некоторый промежуток времени уравновешивают друг друга, в результате чего данная молекула не имеет предпочтительного движения в какую-либо определенную сторону.
Иное явление имеет место в поверхностном слое воды, около границы раздела с газообразной фазой. Представим себе молекулу, находящуюся в определенный момент на самой поверхности слоя (рис. 7,а). Очевидно, что она будет притягиваться как молекулами жидкой воды, так и наполняющими пространство над ее поверхностью молекулами водяного пара. Благодаря тому, что плотность жидкости несравненно больше, чем плотность пара, направленная вниз равнодействующая по своей величине будет гораздо больше, чем равнодействующая, направленная вверх. Вследствие этого молекула, находящаяся на поверхности, будет в конечном счете испытывать одностороннее притяжение, направленное к массе воды. В таком положении будут находиться не только собственно поверхностные молекулы, но и все молекулы, находящиеся в слое воды некоторой толщины, равной радиусу действия сил молекулярного притяжения (рис. 7,б). Этот радиус превышает радиус самих молекул, но не намного, так как силы молекулярного притяжения с увеличением расстояния затухают очень быстро.

Капиллярные явления. Их природа

Молекулы поверхностного слоя, находясь под влиянием указанного односторонне направленного притяжения, будут, очевидно, оказывать давление на всю массу жидкости. Это давление называется поверхностными доходит для воды до 11 000 атм. Именно благодаря такому большому поверхностному давлению жидкости обладают весьма малой сжимаемостью: они уже сжаты им.
Вследствие существования поверхностного давления, направленного к массе воды, любой объем последней стремится принять такую форму, при которой его поверхность была бы наименьшей. Поэтому всякому объему воды присуще стремление принять форму шара как тела с минимальной поверхностью при данном объеме.
Подобное стремление было бы свойственно жидкости, помещенной в сосуд с упругой, растяжимой оболочкой, сделанной, например, из тонкой резины. Поэтому создается впечатление, что поверхность всякой жидкости, в том числе и воды, как бы покрыта тонкой пленкой, стремящейся сократиться, т. е. как бы находящейся в состоянии натяжения. Отсюда и возникло представление о поверхностном натяжении, присущем поверхности всех жидкостей.
Поверхностное натяжение — величина, характерная для данной жидкости. Эту величину принято обозначать через α (альфа) и выражать в динах на один линейный сантиметр. При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается.
Для воды при 0° поверхностное натяжение равно 75,7 дин/см.
Вернемся теперь к вопросу о поверхностном давлении. Величина его зависит от формы поверхности жидкости, причем эта зависимость в общем случае выражается уравнением Лапласа:
Капиллярные явления. Их природа

где: P1 — величина давления при данной кривизне поверхности;
α — величина поверхностного натяжения;
R1 и R2 - главные радиусы кривизны поверхности.
Последние величины положительны, если поверхность воды выпукла, и отрицательны, если она вогнута. Нетрудно видеть, что при условии, когда
Капиллярные явления. Их природа

т. е. при плоской поверхности,
Капиллярные явления. Их природа

иными словами, P0 есть не что иное, как поверхностное давление при плоской поверхности, называемое обычно нормальным поверхностным давлением.
Давление под всякой вогнутой поверхностью будет меньше, а под выпуклой — больше, чем под плоской, ибо под вогнутой поверхностью
Капиллярные явления. Их природа

а под выпуклой поверхностью
Капиллярные явления. Их природа

Все эти явления и количественные зависимости относятся, как мы говорили, к случаю раздела двух фаз: жидкой и газообразной.
Обратимся теперь к случаю соприкосновения трех фаз: твердой, жидкой и газообразной.
Капиллярные явления. Их природа

Если мы поместим на плоскую поверхность твердого тела каплю жидкости, она будет находиться под влиянием трех сил: 1) силы тяжести, которая будет стремиться расплющить эту каплю, т. е. довести ее толщину до возможно минимальных размеров; 2) силы притяжения между молекулами твердого тела и молекулами жидкости, которые тоже будут стремиться уменьшить толщину Капли до возможно меньших размеров, т. е. до мономолекулярного слоя; это последнее стремление носит название смачиваемости твердого тела жидкостью; 3) силы поверхностного натяжения, которая будет стремиться придать капле минимальную поверхность, т. е. стянуть ее в шар.
В результате совместного действия этих трех сил капля жидкости примет форму тем более сплюснутую, чем больше силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкостью по сравнению с межмолекулярными силами притяжения, присущими самой жидкости. При этом поверхность жидкости по линии контакта всех трех называемый углом смачивания и измеряемый как угол фаз образует с твердым телом некоторый угол Θ (тэта), между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости, проведенной в точке контакта.
На рис. 8 изображены величины этих углов в основных случаях. Чем больше этот угол, тем меньше смачиваемость, и наоборот.
Явления смачивания имеют место и в том случае, если поверхность твердого тела, погруженного частично в жидкость, образует с поверхностью жидкости тот или иной угол. В этом случае описанные явления выражаются в искривлении поверхности жидкости в более или менее узкой полоске, прилегающей к поверхности твердого тела. При хорошем смачивании (θ≤90°) поверхность жидкости по линии соприкосновения с твердым телом несколько приподнимается, а при плохом смачивании (θ≥90°) она несколько опускается (рис. 9).
Капиллярные явления. Их природа

Вода хорошо смачивает большинство тел, но угол смачивания редко достигает 0°. Последнее имеет место при смачивании только вполне чистых поверхностей стекла, металлов, кремнезема. Достаточно, однако, присутствия загрязняющего слоя толщиной лишь в одну молекулу, чтобы величина угла смачивания резко увеличилась.
Далее, величина угла смачивания зависит от того, какая поверхность твердого тела — сухая или предварительно смоченная приходит в соприкосновение с жидкостью. При погружении в воду сухой пластинки угол смачивания бывает всегда больше, чем при вынимании мокрой пластинки из воды.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Введите два слова, показанных на изображении: *