Поиск

Капиллярные явления в зернистых пористых средах
28.03.2015

В заключение попробуем применить только что сказанное о капиллярных явлениях к поведению воды в пористых средах, состоящих из мелких частиц, какой является и почва. В качестве модели такой среды возьмем песок. Приготовим песчаный столб, наполнив песком стеклянную трубку, завязанную с одного конца марлей. Погрузим этот конец трубки в сосуд с водой так, как это показано на рис. 14. Вода, естественно, войдет в ту часть песчаного столба, которая опущена в воду. Ho на этом проникновение воды в песок не закончится. Мы увидим, что вода поднимается в песчаном столбе над уровнем воды в сосуде — это легко заметить по потемнению смачиваемого песка. Граница между смоченным и несмоченным песком получается очень резкая. Эта граница по мере вхождения воды в песчаный столб будет подниматься все выше и выше, но скорость ее передвижения с течением времени уменьшается. Через несколько часов или несколько десятков часов подъем воды в песчаном столбе прекратится.

Капиллярные явления в зернистых пористых средах

Если мы теперь определим послойно влажность в песчаном столбе, то получим кривую 1 (рис. 14). На этом рисунке на оси ординат нанесена высота от уровня воды в сосуде, а на оси абсцисс — влажность песка в процентах от его полной влагоемкости, т. е. степень насыщения влагой порового пространства в песке.
Рассматривая эту кривую, мы видим, что сверху, до границы смачивания, идет слой «сухого» песка с ничтожной влажностью, соответствующей его воздушно-сухому состоянию. Вниз от границы смачивания влажность начинает возрастать, причем кривая принимает S-образную форму. На уровне воды в сосуде влажность достигает максимума, который отвечает полному насыщению песка водой.
Чем же объясняется подъем воды в песчаном столбе и указанное распределение влаги по окончании подъема?
Когда мы погружаем нижний конец песчаного столба в воду, она входит в столб и заполняет поры в песке. Частицы песка хорошо смачиваются водой, вследствие чего (в соответствии со сказанным выше о капиллярных явлениях) в порах песка образуются вогнутые мениски, из которых и слагается поверхность воды, вошедшей в трубку. Поверхностное давление под такой поверхностью будет ниже, чем под плоской поверхностью воды в сосуде. В силу этой разности давлений вода начнет вдавливаться в песчаный столб и подниматься в нем (рис. 15).
Капиллярные явления в зернистых пористых средах

В песчаном столбе появляется как бы пучок извилистых узловатых водяных нитей, продвигающихся вверх, каждая из которых увенчана вогнутым мениском. Эти нити связаны друг с другом и в боковом направлении водяными перемычками. Поднимающиеся вверх водяные нити проходят через систему то расширяющихся, то сужающихся пор. Рано или поздно каждый мениск, венчающий нить, достигает поры настолько широкой, что поверхностное давление, соответствующее его кривизне в этой поре, окажется таким, что разность между нормальным поверхностным давлением во внешнем сосуде и давлением под этим мениском уравновесится гидростатическим давлением водяной нити. В результате дальнейшее продвижение вверх этой нити воды прекратится. Чем уже пора, в которой наступает указанное уравновешивание и прекращается дальнейший рост нити, тем выше над уровнем воды в сосуде поднимается вода в поре и тем больше будет гидростатическое давление нити воды под данным мениском.
А так как размер пор в песке имеет определенный минимальный предел, то и вода, поднимающаяся по капиллярам, может достичь лишь определенной высоты, соответствующей наименьшему возможному диаметру пор. Чем выше поднимается вода, тем меньше вероятность, что поднимающаяся вверх нить минует более крупную пору, в которой она может остановиться. Поэтому, чем выше над уровнем воды в сосуде находится слой песка, тем меньшее число нитей в него проникает и тем меньше будет его влажность (рис. 15). Следовательно, влажность убывает в направлении вверх от уровня воды в сосуде. Весь слой песка от уровня воды в сосуде до начала слоя сухого песка называется капиллярной каймой, а содержащаяся в этом слое влага — капиллярной влагой. Кривая, изображающая изменение содержания капиллярной влаги, называется капиллярной кривой.
Мощность капиллярной каймы соответствует предельной высоте капиллярного подъема влаги.
Распределение влаги в песчаном столбе, изображенное на рис. 14, можно получить не только в результате капиллярного подъема влаги снизу, но и путем подачи воды на поверхность столба сверху в количестве, превышающем то, которое необходимо для сквозного промачивания всего столба. После того как из нижнего конца столба в сосуд стечет весь избыток воды, в нем установится распределение влаги, изображенное кривой 2 на рис. 14. Эта кривая вполне подобна кривой 1 с той только разницей, что влажность песка в верхней части столба выше, так как вместо воздушно-сухого песка мы имеем в этом слое песок смоченный. Кроме того, вся кривая 2 располагается несколько выше кривой 1 в силу того, что капиллярный подъем в смоченном песке происходит более легко и доходит до большей высоты.
Капиллярная кайма, как следует из сказанного, гидравлически связана с водой в наружном сосуде. Доказать эту связь очень легко.
Капиллярные явления в зернистых пористых средах

Приготовим, как и прежде, песчаный столб, промочим его сверху водой и опустим нижним концом в сосуд с водой так, чтобы погруженной в воду оказалась значительная часть столба (рис. 16). Дождемся установления равновесия в капиллярной кайме, к которому относится кривая 1 на рис. 16. Уровень воды в сосуде при этом будет стоять на высоте а, а верхняя граница капиллярной каймы — на высоте K1.Опустим теперь уровень воды в сосуде до высоты б и определим распределение воды в песчаном столбе. Оно изобразится кривой 2. Из нее мы видим, что капиллярная кайма опустилась вниз параллельно самой себе, т. е. внутри каймы сохраняется присущее ей распределение влаги. Верхняя граница каймы теперь находится на высоте K2, причем разность высот К1 и K2 равна разности высот а и б. Такое смещение явилось следствием понижения уровня воды в сосуде, из чего следует, что капиллярная кайма гидравлически связана с водой во внешнем сосуде. Вода во внешнем сосуде как бы «подпирает» воду в капиллярной кайме, в силу чего воду в кайме называют, по предложению Н. А. Качинского, капиллярно - подпертой водой.
Тот факт, что влага капиллярной каймы обладает гидравлической сплошностью, т. е. способна передавать гидравлическое давление, может быть доказан еще и следующим образом. Приготовим, как и ранее, песчаный столб такой высоты, чтобы он не превышал предельной высоты капиллярного подъема, свойственной данному песку. Промочим весь столб водой, для чего погрузим его целиком, вплоть до верхнего конца, в сосуд с водой. Затем вынем столб из воды и дадим стечь избытку свободной гравитационной влаги. Так как высота столба, по условию, не превышает предельной высоты капиллярного подъема в данном песке (уровень К—К на рис. 17,б), то капиллярная кайма в столбе (рис. 17,а) будет начинаться с верхней поверхности столба. Если теперь мы подадим на эту поверхность небольшое количество (несколько капель) воды, то увидим, что из нижнего конца колонны немедленно вытечет примерно такое же количество воды. Эта быстрота реакции указывает на то, что вытекание воды из нижнего конца столба начинается не потому, что прилитая вода просочилась через весь столб, а в результате повышения гидравлического давления, вызванного добавлением воды сверху, которое передается вниз по столбу практически мгновенно. Вытекание воды восстанавливает нарушенное равновесие между гидравлическим давлением водного тела и капиллярными силами, присущими менискам, ограничивающим водное тело сверху и снизу.
Капиллярные явления в зернистых пористых средах

Иную картину мы получаем в том случае, когда высота столба больше предельной высоты капиллярного поднятия. Проделаем совершенно такой же опыт, но со столбом, высота которого заведомо значительно превосходит предельную высоту капиллярного подъема воды. После стенания избытка воды и установления равновесия между гидравлическим давлением и капиллярными силами, распределение воды в столбе будет таким, как оно изображено на рис. 17,б. Верхняя граница капиллярной каймы находится на уровне К — К. Если мы подадим небольшое количество воды на верхнюю поверхность столба (рис. 17,в), то в этом случае вытекание воды из нижнего конца столба начнется не немедленно, как в предыдущем опыте, а лишь спустя некоторое время, которое будет тем больше, чем больше высота части столба, расположенной над уровнем К—К. Оно начнется лишь после того, как прилитая сверху вода просочится от верхней поверхности столба до уровня К—К, т. е. до верхней границы капиллярной каймы. Это было доказано Лебедевым, который приливал на верхнюю поверхность столба не чистую воду, а слабый раствор соли лития и показал, что вытекание воды начинается в тот момент, когда раствор соли достигнет уровня К — К. Из этого опыта мы видим, что водное тело, находящееся в столбе над уровнем К—К, не передает гидравлического давления, а ниже уровня K—K — передает его, т. е. обладает гидравлической сплошностью.
Мощность капиллярной каймы, т. е. предельная высота капиллярного подъема, зависит, очевидно, от размера пор: чем меньше их диаметры, тем больше кривизна менисков и тем выше должна подниматься вода. А так как размер пор зависит от размера частиц, то чем мельче частицы, тем мельче поры и тем больше высота капиллярного подъема. Однако, как увидим ниже, высота капиллярного подъема имеет свой предел, за которым дальнейшее уменьшение диаметра пор уже не вызывает ее увеличения.


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: *