Тема 3.2 Смачивание. Капиллярные явления в быту, природе и технике.

Смачивание. Если опустить стеклянную палочку в ртуть и затем вынуть ее, то ртути на ней не окажется. Если же эту палочку опустить в воду, то после вытаскивания на ее конце остается капля воды. Этот опыт показывает, что молекулы ртути притяги­ваются сильнее друг к другу, чем к молекулам стекла, а молекулы воды притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам стекла.

А) Смачивающая жидкость. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин.

Б) Не смачивающей. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество. Ртуть не смачивает стекло, она смачивает чистые медь и цинк.

Краевой угол. Краевой угол образуется плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к свободной поверхности жидкости, проходящей через точку А (рис. 6.16.), где граничат твердое жидкость и газ. Внутри краевого угла всегда находится жидкость. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для не смачивающих жидкостей — тупой.

Поскольку краевой угол сохраняется при вертикальном поло­жении твердой поверхности, то смачивающая жидкость у краев сосуда, в который она налита, приподнимается (рис. 6.17, а), а не смачивающая жидкость опускается (рис. 6.17, б).

Давление, создаваемое искривленной поверхностью жидкости. Искривление поверхности жидкости у краев сосуда легко обнаружить на опыте. Особенно отчетливо это видно в узких трубках, где искрив­ляется вся свободная поверхность жидкости. В трубке с круглым сечением эта поверхность представляет собой часть поверхности сферы и называется мениском (от греч. менискос — "лунный серп"). У смачивающей жидкости мениск вогнутый, а у не смачивающей — выпуклый (рис. 6.18, а, б).

Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь внут­реннего сечения трубки, то под действием молекулярных сил искрив­ленная поверхность жидкости стремится выпрямиться и этим создает дополнительное давление р_л, которое при смачивании (вогнутый мениск) направлено от жидкости, а при не смачивании (выпуклый мениск) — внутрь жидкости. Это давление было определено французским ученым Лапласом, поэтому его часто называют лапласовым давлением. Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R это давление выражается формулой:

Капиллярные явления в природе и технике. Осо­бенности взаимодействия жид­костей со смачиваемыми и несмачивасмыми поверхностями твердых тел являются причиной капиллярных явлений.

Капилляром называется труб­ка с малым внутренним диа­метром. Возьмем капиллярную стеклянную трубку и погрузим один ее конец в воду. Опыт показывает, что внутри капил­лярной трубки уровень воды оказывается выше уровня от­крытой поверхности воды.

При полном смачивании жид­костью поверхности твердого тела силу поверхностного натяжения можно считать направленной вдоль поверхности твердого тела перпендикулярно к границе со­прикосновения твердого тела и жидкости. В этом случае подъем жидкости вдоль смачиваемой по­верхности продолжается до тех пор, пока сила тяжести F_Т, действующая на столб жидкости в капилляре и направленная вниз, не станет равной по мо­дулю силе поверхностного натяжения F_н, действующей вдоль границы соприкосновения жид­кости с поверхностью капилляра (рис. 94):

F_т =F_н F_T = mg = ρhπr²g, Fн = σl = σ2πr.

Отсюда получаем, что высота подъема столба жидкости в ка­пилляре обратно пропорциональ­на радиусу капилляра:

, где r- радиус трубки, ρ- плотность жидкости/

Высота h тем больше, чем меньше внут­ренний радиус трубки г. Подъем воды особенно значителен в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капиллярами (от греч, капиллярис — "волосной", "тонкий"). Смачивающая жидкость в капил­лярах поднимается вверх, а не смачивающая — опускается вниз.

Явления, обусловленные втягиванием смачива­ющих жидкостей в капилляры или выталкиванием не смачивающих жидкостей из капилляров, называются капиллярными явлениями.

Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев и через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капилляра поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становий сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т.е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.

В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел, подвода смазки к деталям машин применяют фитильный способ подачи масла и т. п. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров (битум, толь). В бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги. Например, при изготовлении писчей бумаги ее пропитывают специальным составом, закупоривающим капилляры. В быту капиллярные явления используют в фитилях, в промокательной бумаге.