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.