Смачивание и не смачивание

В случае соприкосновения с твердым телом силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердого тела начинают играть существенную роль. Поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: сцепление между молекулами жидкости или сцепление молекул жидкости с молекулами твердого тела. В случае ртути и стекла силы сцепления между молекулами ртути и стекла малы по сравнению с силами сцепления между молекулами ртути, и ртуть собирается в каплю. В случае же воды и стекла (или ртути и цинка) силы сцепления между молекулами жидкости и твердого тела превосходят силы сцепления, действующие между молекулами жидкости, и жидкость растекается по твердому телу.

Почему же одно и то же твердое вещество в одних случаях смачивается жидкостью, а в других не смачивается?

Объяснение в следующем. Молекулы многих веществ довольно сложны; благодаря этому различные части такой молекулы могут обнаруживать различные силы сцепления при взаимодействии с другими молекулами. Если каким-либо образом расположить подобные молекулы так, что в одну сторону будут обращены концы, сильно взаимодействующие с водой, а в другую — слабо взаимодействующие, то получится пластинка, одна поверхность которой будет смачиваться водой, а другая не будет. Парафин на горячей воде плавится, и молекулы жидкого парафина поворачиваются, притягиваясь своими сильно взаимодействующими с водой концами к поверхности воды. В таком положении они и застывают, когда вода охлаждается, и в результате получается та двусторонняя пластинка, свойства которой мы обнаружили в описанном опыте.

Наиболее сильно влияние определенного расположения молекул в поверхностном слое у маслянистых веществ, обладающих смазочным действием. На основании химических исследований этим молекулам приписывают удлиненную форму, причем на одном ее конце находится группа атомов СООН (так называемая карбоксильная группа). Эта группа и обусловливает сцепление молекул маслянистых веществ с поверхностями твердых тел (активные концы). Другие концы тех же молекул дают очень малые силы сцепления (инертные концы).

Такое представление дает возможность объяснить смазочное действие очень тонких слоев масел. Слой смазки между двумя твердыми (например, металлическими) поверхностями разделяется на слои, обращенные друг к другу попеременно активными и инертными концами, как показано на рис. 11.3. К твердым телам примыкает слой молекул, прикрепившихся к нему своими активными концами. Эти молекулы располагаются подобно щетине на щетке. При движении происходит скольжение между инертными концами молекул смачивающего вещества.

Рис. 11.3. Расположение молекул масляной смазки вблизи твердого тела А. Активные концы молекул обозначены черным, инертные — белым. Скольжение происходит в местах В и П. В месте С скольжения нет.

При этом скольжении не получается больших сил, ему препятствующих, так как силы сцепления у этих концов молекул малы. Поэтому и трение получается весьма малым.

Отметим, что у жидкостей, не обладающих смазочным действием в тонких слоях, молекулярная картина течения жидкости вблизи твердого тела имеет иной характер.

11.4. Значение кривизны свободной поверхности жидкости.

Мы постоянно встречаемся с кривыми поверхностями жидкостей: кривой является поверхность повисшей капли; поверхность воды, облекающей намокшие волосы; поверхность любой капельки жидкости, любого пузырька в ней и т.д.

Какое же значение имеет кривизна поверхности? Легко сообразить, что силы, связанные с наличием поверхностного натяжения и направленные по касательной к поверхности жидкости, в случае выпуклой поверхности дают результирующую, направленную внутрь жидкости (рис. 11.4, а). В случае вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью (рис. 11.4, б). На основании этих упрощенных рассуждений можно ожидать, что давление жидкости, ограниченной выпуклой поверхностью, больше давления окружающего газа (или другой жидкости, граничащей с первой), а давление жидкости, ограниченной вогнутой поверхностью, наоборот, меньше давления окружающего газа. Чтобы проверить это предположение, обратимся к опытам

Рис. 11.4. Силы поверхностного натяжения Fп, действующие на искривленную поверхность жидкости, дают результирующую F, направленную в ту же сторону, куда поверхность М обращена своей вогнутостью, а) Поверхность жидкости выпуклая, б) Поверхность жидкости вогнутая.

1. На рис. 11.5 показана узкая стеклянная трубка В, соединенная резиновой трубкой с широкой трубкой А. В трубках находится вода. Установим конец трубки В на уровне жидкости в трубке А. При этом поверхность воды в трубке В горизонтальная и совершенно плоская (рис. 11.5, а). Будем теперь осторожно опускать трубку В. Конец трубки В, до которого доходит вода, станет ниже уровня воды в трубке А, и вместе с тем поверхность воды в ней примет выпуклую сферическую форму (рис. 11.5, б). Подумаем, что это значит. Над выпуклой сферической поверхностью воды в трубке В и над плоской поверхностью воды в трубке А одно и то же атмосферное давление. На уровне конца трубки В в трубке А (рис. 11.5, б) давление больше атмосферного.

Так как жидкость находится в равновесии, то, следовательно, и у конца трубки В непосредственно под выпуклой поверхностью давление больше атмосферного. Добавочное давление под выпуклой поверхностью жидкости вызывается молекулярными силами. Стремление жидкости уменьшить свою свободную поверхность приводит к тому, что жидкость, находящаяся под сферической поверхностью, оказывается несколько сжатой, а потому имеющей добавочное давление.

Будем продолжать опыт, опуская трубку В еще ниже. При этом радиус сферической поверхности воды еще уменьшится, а разность уровней в трубках еще увеличится. Отсюда вывод: добавочное давление под выпуклой поверхностью жидкости тем больше, чем радиус этой поверхности меньше.

Рис. 11.5. Поверхности воды в трубках А и В находятся на одном уровне; обе поверхности плоские, б) Поверхность воды в А выше, чем в В, поверхность в А — плоская, в В — выпуклая.

2. На рис. 11.6, а показан прибор для выдувания пузырьков из узкого конца С трубки, опущенного в жидкость на небольшую глубину. Нажимая на резиновую грушу А, мы создаем внутри трубки повышенное давление, регистрируемое жидкостным манометром В. По мере увеличения давления в трубке радиус выдуваемого пузырька все уменьшается (рис. 11.6, б-г). Если, продолжая нажимать на грушу А, дойдем до такого положения, что радиус пузырька начнет увеличиваться (рис. 11.6, д), манометр покажет уменьшение давления.

Очевидно, этот опыт показывает то же, что и предыдущий, т. е. что изогнутость поверхности жидкости связана с добавочным давлением по ту сторону поверхности, куда она обращена своей вогнутостью, и что добавочное давление тем больше, чем меньше радиус кривизны поверхности.

Если окунуть конец трубки С не в воду, а в другую жидкость, например в спирт, то манометр покажет иное максимальное давление. В случае спирта максимальное давление будет приблизительно в 3,5 раза меньше, чем в случае воды. Вспомним, что поверхностное натяжение спирта меньше поверхностного натяжения воды тоже в 3,5 раза. Этот результат показывает, что разность давлений тем больше, чем больше поверхностное натяжение.

Рис. 11.6. а) Прибор для выдувания пузырьков в жидкости. б)-г) В начале выдувания пузырька радиус кривой поверхности жидкости постепенно уменьшается, д) Под конец выдувания радиус поверхности снова увеличивается.

Рис. 11.7. Две среды граничат по сферической поверхности радиуса R, обращенной вогнутостью влево. При равновесии давление среды слева от границы больше, чем давление среды справа от границы, на величину 2σ/R.

Расчет приводит к следующему выводу: при наличии сферической поверхности жидкости радиуса R имеется разность давлений

(79)

где p2— давление со стороны вогнутости, а р1 — давление со стороны выпуклости (рис. 11.7).

Капиллярные явления

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бумага, пряжа, кожа, различные строительные материалы, почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают их в себя. На этом основано действие полотенца при вытирании рук, действие фитиля в керосиновой лампе и т. д.

Очень часто жидкость, впитываясь в пористое тело, поднимается вверх; например, поднимаются вверх чернила, впитывающиеся в промокательную бумагу. Подобные явления можно также наблюдать в очень узких стеклянных трубках. Узкие трубки называются капиллярными.

Опустим такую трубку в жидкость. Если жидкость смачивает стенки трубки, то она поднимается по стенкам трубки над уровнем жидкости в сосуде и притом тем выше, чем уже трубка. Если жидкость не смачивает стенки, то, наоборот, уровень жидкости в узкой трубке устанавливается ниже, чем в широкой (рис. 11.8).

Как объясняются описанные явления? Поверхность жидкости около стенки изгибается вверх или вниз в зависимости от того, смачивает она стенку или нет. В узкой трубке края жидкости образуют всю поверхность жидкости так, что поверхность имеет вид, напоминающий полусферу (так называемый мениск), в случае смачивающих жидкостей обращенную вверх вогнутостью, а в случае несмачивающих — вверх выпуклостью (рис. 11.9). Наличие кривой поверхности жидкости связано с наличием разности давлений: под вогнутым мениском давление жидкости меньше, чем под плоским, и это ведет к тому, что в случае вогнутого мениска жидкость поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление не компенсирует разность давлений; под выпуклым мениском давление больше, чем под плоским, и это ведет к опусканию жидкости в узких трубках.

Рис. 11.8 Уровень ртути в узкой трубке ниже, чем в широкой (для несмачивающей жидкости)

Рис. 11.9. Форма мениска: а) смачивающей жидкости; б) несмачивающей жидкости

Таким образом, в узкой трубке смачивающая жидкость устанавливается выше уровня в широкой трубке, а несмачивающая устанавливается ниже уровня в широкой трубке. Высота поднятия жидкости в капиллярной трубке тем больше, чем больше поверхностное натяжение жидкости и чем меньше радиус трубки и плотность жидкости. Это положение можно отнести и к твердым материалам, пронизанным тонкими каналами неправильной формы. Если материал смачивается водой, то она втягивается в него на тем большую высоту, чем уже каналы.