Вода может подниматься по тонким капиллярам благодаря

§ 19. Капиллярные явления

Продолжим изучение явлений, которые объясняются поверхностным натяжением и смачиванием жидкости.

Возьмем капиллярные трубки различного сечения и опустим их сначала в воду, которая смачивает стекло, а затем в ртуть, которая его не смачивает. Вода в капиллярной трубке поднимется (рис. 20, а), а ртуть — опустится (рис. 20, б); при этом высота подъема смачивающей жидкости и опускания несмачивающей тем больше, чем меньше радиус трубки. Погрузим одну из капиллярных трубок с одинаковыми радиусами в воду, другую — в керосин. Видим, что вода поднялась выше, чем керосин. Значит, высота подъема жидкости (а в случае несмачивания — опускания) в капиллярных трубках зависит от рода жидкости. Явление поднятия или опускания жидкости в капиллярах называется капиллярностью. Выясним, почему смачивающая жидкость в капиллярах поднимается, а несмачивающая — опускается.

Рис. 20. Жидкости в капиллярах

Мы знаем, что под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости стремится сократиться. Вследствие этого поверхность вогнутого мениска стремится выпрямиться и сделаться плоской (рис. 20, в). При этом она тянет за собой частицы жидкости, лежащие под ней, и жидкость поднимается по капилляру вверх. Но поверхность жидкости в узкой трубке плоской оставаться не может, она должна иметь форму вогнутого мениска. Как только в новом положении данная поверхность примет форму мениска, она снова будет стремиться сократиться и т. д. В результате действия этих двух причин смачивающая жидкость и поднимается по капилляру. Поднятие прекратится, когда сила тяжести Р_тяж поднятого столба жидкости, которая тянет поверхность вниз, уравновесит равнодействующую силу F сил поверхностного натяжения, изображенных маленькими векторами и направленных касательно к каждой точке поверхности.

По окружности соприкосновения поверхности жидкости со стенкой капилляра действует сила поверхностного натяжения, равная произведению коэффициента поверхностного натяжения σ на длину 2πr окружности: F = σ2πr, где r — радиус капилляра.

Сила тяжести, действующая на поднятую жидкость,

где ρ — плотность жидкости; h — высота столба жидкости в капилляре; g — ускорение силы тяжести.

Подъем жидкости прекращается, когда Р_тяж = F или ρπr 2 hg = σ2πr. Отсюда высота поднятия жидкости в капилляре

В случае несмачивающей жидкости последняя, стремясь сократить свою поверхность, будет опускаться вниз, выталкивая жидкость из капилляра. Выведенная формула применима и для несмачивающей жидкости. В этом случае h — высота опускания жидкости в капилляре.

Высота поднятия в капиллярах смачивающей жидкости и опускания несмачивающей обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости.

В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. По этим капиллярам воду из подпочвенных слоев поднимается до поверхности земли(в песчаной почве с глубины до 30 см, а в суглинистых — до 3 м) и быстро испаряется. Если поверхностный слой почвы вспахать и разрыхлить, разрушив тем самым капилляры, то вода будет подниматься до вспаханного слоя и здесь задерживаться. Проникновение почвенной воды по капиллярам кирпича вызывает сырость в помещениях. Для предотвращения этого между фундаментом дома и стеной прокладывают битум, толь. Эти вещества не имеют капилляров и не смачиваются водой, поэтому вода, поднявшись по порам фундамента, дальше не пойдет. Подъем питательных соков от корня до верхушек растений происходит также по капиллярам.

Источник

§ 7.7. Капиллярные явления

Под капиллярными явлениями понимают подъем или опускание жидкости в узких трубках — капиллярах(1) — по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

Смачивающая жидкость (например, вода в стеклянной трубке) поднимается по капилляру. При этом чем меньше радиус трубки, тем на большую высоту поднимается в ней жидкость (рис. 7.25). Жидкость, не смачивающая стенки капилляра (например, ртуть в стеклянной трубке), опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде (рис. 7.26).

Почему смачивающая жидкость поднимается по капилляру, а несмачивающая опускается? В § 7.5 мы установили, что в случае полного смачивания и полного несмачивания мениск жидкости в узких трубках представляет собой полусферу, радиус которой равен радиусу канала трубки. Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью (см. § 7.6). Поэтому жидкость в узкой трубке (капилляре) поднимается до тех пор, пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, и это ведет к опусканию несмачивающей жидкости в узких трубках.

Подъем смачивающей жидкости по капилляру можно объяснить по-другому — непосредственным действием сил поверхностного натяжения. Вдоль границы поверхностного слоя жидкости, имеющей форму окружности, на стенки трубки действует сила поверхностного натяжения, направленная вниз (для смачивающей жидкости). Такая же по модулю сила действует на жидкость со стороны стенок трубки вверх (третий закон Ньютона). Эта сила и заставляет жидкость подниматься в узкой трубке. Подъем смачивающей жидкости по капилляру прекратится тогда, когда сила, заставляющая жидкость подниматься вверх, уравновесится силой тяжести, действующей на поднятую жидкость.

Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Пусть жидкость полностью смачивает стенки капилляра. Мениск ее в этом случае имеет форму полусферы (рис. 7.27) радиусом, равным радиусу канала капилляра r. Тогда непосредственно под вогнутым мениском (в точке А) давление жидкости будет меньше атмосферного давления р₀ на величину (см. § 7.6):

На глубине h, соответствующей уровню жидкости в широком сосуде (в точке В), к этому давлению прибавляется гидростатическое давление ρgh, где ρ — плотность жидкости. В широком сосуде на том же уровне, т. е. непосредственно под плоской поверхностью жидкости (в точке С), давление равно атмосферному давлению р₀. Так как жидкость находится в равновесии, то давления на одном и том же уровне (в точках В и С) равны. Следовательно,

Высота поднятия жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению ее и обратно пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости.

Глубина h, на которую опускается в капилляре несмачивающая жидкость, тоже вычисляется по формуле (7.7.3). Это утверждение вы можете проверить самостоятельно.

Формулой (7.7.3) можно воспользоваться для определения поверхностного натяжения σ. Для этого необходимо по возможности точнее измерить высоту поднятия жидкости h и радиус канала трубки г. Зная плотность жидкости ρ, поверхностное натяжение σ можно найти по формуле

Это один из наиболее распространенных способов определения поверхностного натяжения.

Капиллярные явления в природе, быту и технике

Чрезвычайно важно для растений движение и сохранение воды в почве. Почва имеет рыхлое строение, и между отдельными частицами ее находятся промежутки. Узкие промежутки представляют собой капилляры. По капиллярным ходам вода поднимается к корневой системе растений и снабжает их необходимой влагой и питательными солями.

По капиллярам находящаяся в почве вода поднимается вверх и интенсивно испаряется (рис. 7.28). Чтобы уменьшить испарение, нужно разрушить капилляры. Это достигается разрыхлением почвы.

Иногда требуется, наоборот, усилить приток влаги по капиллярам. Тогда почву укатывают, увеличивая этим количество капиллярных каналов.

Любопытно, а может ли вода с растворенными в ней веществами подниматься к верхушкам высоких деревьев за счет поверхностного натяжения (высота, например, секвойи более 100 м). Радиус капилляров в древесине от 0,01 до 0,3 мм. Значит, в самых тонких капиллярах вода не поднимается выше 1,5 м. За счет атмосферного давления она может подняться не выше 10 м, даже если на конце трубки создать вакуум. Не может высоко поднять воду и осмотическое давление, благодаря которому давление в растворе больше, чем в чистой жидкости.

Остается единственное предположение: вода в капиллярах находится в растянутом состоянии, но не разрывается из-за притяжения ее молекул. По мере испарения воды с листьев сила притяжения поднимает ее вверх. Прямые измерения показали, что давление в капиллярах древесины действительно отрицательно и может достигать -25 атм.

В быту капиллярные явления используют при самых разнообразных обстоятельствах. Прикладывая промокательную бумагу, удаляют излишек чернил с письма, хлопчатобумажной или льняной тряпкой вытирают мокрые места на столе или на полу. Применение полотенец, салфеток возможно только благодаря наличию в них капилляров. Поднятие керосина или расплавленного стеарина по фитилям ламп и свечей обусловлено наличием в фитилях капиллярных каналов. В технике как один из способов подвода смазки к деталям машин применяют иногда фитильный способ подачи масла.

В строительном деле приходится учитывать подъем влаги из почвы по порам строительных материалов. Из-за этого отсыревают стены зданий. Для защиты фундамента и стен от воздействия грунтовых вод и сырости применяют гидроизоляцию, покрывая фундамент горячим (жидким) битумом или обкладывая водонепроницаемым рулонным материалом (толь или рубероид).

Узких трубок (капилляров) в природе и технике великое множество. В этих трубках жидкость либо поднимается вверх на высоту h = , либо опускается вниз на расстояние, определяемое по той же формуле. Многие процессы в природе и технике вызываются этими движениями.

(1) От латинского слова capillaris — волосной.

Источник

Физика. 10 класс

§ 8-2. Смачивание. Капиллярные явления

Поверхность жидкости может граничить не только с газом, но и с твёрдым телом. Какие явления можно наблюдать в этом случае?

Смачивание. На границе соприкосновения твёрдых тел, жидкостей и газов наблюдаются явления смачивания или несмачивания, которые являются результатом взаимодействия между молекулами жидкости, твёрдого тела и газа. Они приводят к искривлению поверхности жидкости около поверхности твёрдого тела на границе с газом. При контакте жидкости с твёрдым телом возможны случаи, когда жидкость смачивает (частично или полностью) или не смачивает (частично или полностью) его. Так, ртуть хорошо смачивает чистые поверхности металлов и не смачивает чистое стекло. Вода хорошо смачивает чистое стекло и не смачивает жирные поверхности.

Свободная поверхность жидкости на границе с твёрдым телом искривляется, образуя мениск. Если жидкость смачивает поверхность тела, образуется вогнутый мениск ( рис. 57.3, а ), если не смачивает — выпуклый мениск ( рис. 57.3, б ). На границе соприкосновения трёх сред — твёрдой, жидкой и газообразной — жидкость принимает такую форму, при которой сумма потенциальной энергии жидкости в гравитационном поле Земли и поверхностной энергии всех тел минимальна (твёрдые тела также обладают поверхностной энергией). Поверхностное натяжение на границе твёрдого тела и жидкости обозначают σ_тж, на границе твёрдого тела и газа — σ_тг, на границе жидкости и газа — σ_жг. Если σ_тг ≥ σ_тж + σ_жг, то жидкость полностью смачивает поверхность твёрдого тела, покрывая его тонкой плёнкой. Если σ_тж ≥ σ_тг + σ_жг, то жидкость полностью не смачивает поверхность твёрдого тела, стягиваясь в каплю, несколько сплюснутую действием силы тяжести и силы реакции опоры. В большинстве случаев имеет место частичное смачивание ( рис. 57.4, а ) или частичное несмачивание ( рис. 57.4, б ).

1. Почему капля воды или масла растекается по поверхности дерева, а капля ртути не растекается ( рис. 57.5 )?

2. Почему перед окраской поверхность предварительно грунтуют — покрывают олифой?

Явление смачивания используют в промышленности и в быту. Хорошее смачивание необходимо при окраске и мытье разных тканей, нанесении лакокрасочных покрытий и т. д. На явлении смачивания основано склеивание различных изделий. Покрытие металлических изделий масляной плёнкой для их защиты от коррозии основано на несмачивании водой жирных поверхностей. Непромокаемую одежду изготавливают из тканей, которые не смачиваются водой ( рис. 57.6 ). Со свойством смачивания связана пайка металлов. Чтобы расплавленный припой хорошо растекался по поверхности металлических изделий и прилипал к ним, нужно эти поверхности очистить от жира, пыли и оксидной плёнки.

Источник

Вода может подниматься по тонким капиллярам благодаря

Поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами. Молекулы жидкости в этом слое находятся в непосредственной близости от другой фазы – газа. Молекула, расположенная вблизи границы раздела жидкость – газ, имеет ближайших соседей только с одной стороны, поэтому сложение всех сил, действующих на эту молекулу, дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Следовательно, любая молекула жидкости, находящаяся вблизи свободной поверхности, имеет избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами, находящимися внутри.

Для того чтобы перевести молекулу из объема жидкости на поверхность, необходимо совершить работу. При увеличении поверхности определенного объема жидкости внутренняя энергия жидкости увеличивается. Эта составляющая внутренней энергии пропорциональна площади поверхности жидкости и называется поверхностной энергией. Величина поверхностной энергии зависит от сил молекулярного взаимодействия и количества ближайших соседних молекул. Для различных веществ поверхностная энергия принимает разные значения. Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади: Е= σ ·Ѕ

Величина силы F, действующей на единицу длины границы поверхности, определяет поверхностное натяжение жидкости: σ = F / L ; σ- коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.

Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения, наблюдая образование капли у неплотно закрытого крана. Всмотритесь внимательно, как постепенно растет капля, образуется сужение — шейка и капля отрывается. Поверхностный слой воды ведет себя, как растянутая эластичная пленка.

Можно осторожно положить швейную иглу на поверхность воды. Поверхностная пленка прогнется и не даст игле утонуть.

П о этой же причине легкие насекомые – водомерки могут быстро скользить по поверхности воды. Прогиб пленки не позволяет выливаться воде, осторожно налитой в достаточно частое решето.Ткань – это то же решето, образованное переплетением нитей. Поверхностное натяжение сильно затрудняет просачивание воды сквозь нее, и поэтому ткань не промокает мгновенно. Благодаря силам поверхностного натяжения происходит образование пены.

Изменение поверхностного натяжения

При соприкосновении жидкости с твердым телом наблюдается явление смачивания или несмачивания. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами жидкости, то жидкость растекается по поверхности твердого тела, т.е. смачивает и наоборот, если силы взаимодействия между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость собирается в каплю и не смачивает поверхность жидкости.

В природе часто встречаются тела, имеющие пористое строение (пронизаны множеством мелких каналов). Такую структуру имеют бумага, кожа, дерево, почва, многие строительные материалы. Вода или другая жидкость, попадая на такое твердое тело, может впитываться в него, поднимаясь вверх на большую высоту. Так поднимается влага в стеблях растений, керосин поднимается по фитилю, ткань впитывает влагу. Такие явления называются капиллярными.

В узкой цилиндрической трубке смачивающая жидкость за счет сил молекулярного взаимодействия поднимается вверх, принимая вогнутую форму. Под вогнутой поверхностью появляется дополнительное давление, направленное вверх, в связи с чем уровень жидкости в капилляре выше уровня свободной поверхности. Несмачивающая же жидкость принимает выпуклую поверхность. Под выпуклой поверхностью жидкости возникает обратное дополнительное давление, направленное вниз, так что уровень жидкости с выпуклым мениском ниже, чем уровень свободной поверхности.

Величина добавочного давления равна p= 2 σ / R

Жидкость в капилляре поднимается на такую высоту, чтобы давление столба жидкости уравновесило избыточное давление. Высота подъема жидкости в капилляре равна: h = 2 σ / ρgr

Адсорбция — явление аналогичное смачиванию, наблюдается при соприкосновении твердой и газообразной фаз. Если силы взаимодействия между молекулами твердого тела и газа велики, то тело покрывается слоем молекул газа. Большой адсорбционной способностью обладают пористые вещества. Свойство активированного угля адсорбировать большое количество газа используют в противогазах, в химической промышленности, в медицине.

Значение поверхностного натяжения

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я. Сегнер (1752). В 1-й половине 19 в. на основе представления о поверхностном натяжении была развита математическая теория капиллярных явлений (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А.Ю. Давидов). Во 2-й половине 19 в. Дж. Гиббс развил термодинамическую теорию поверхностных явлений, в которой решающую роль играет поверхностное натяжение. Среди современных актуальных проблем — развитие молекулярной теории поверхностного натяжения различных жидкостей, включая расплавленные металлы. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма. Без этих сил мы не могли бы писать чернилами. Обычная ручка не зачерпнула бы чернил из чернильницы, а автоматическая сразу же поставила бы большую кляксу, опорожнив весь свой резервуар. Нельзя было бы намылить руки: пена не образовалась бы. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма. Проявления сил поверхностного натяжения столь многообразны, что даже перечислить их все нет возможности.

В медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль над проводимым лечением. Установлено, что вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна. Она легче вступает в молекулярные взаимодействия, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения.

Непрерывно растут объёмы печати на полимерных плёнках благодаря бурному развитию упаковочной индустрии, высокому спросу на потребительские товары в красочной полимерной упаковке. Важное условие грамотного внедрения подобных технологий — точное определение условий их применения в полиграфических процессах. В полиграфии обработка пластика перед печатью необходима для того, чтобы краска ложилась на материал. Причина заключается в поверхностном натяжении материала. Результат определяется тем, как жидкость смачивает поверхность изделия. Смачивание считается оптимальным, когда капля жидкости остается там же, где она была нанесена. В других случаях жидкость может скатываться в каплю, либо, наоборот, растекаться. Оба случая в равной степени приводят к отрицательным результатам во время переноса краски.

1. Жидкость может смачивать и не смачивать твёрдое тело.
2. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости.
3. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры .T ↑σ ↓
4. Высота подъёма жидкости в капилляре зависит от его диаметра. d ↑ h ↓
5. Сила поверхностного натяжения зависит от длины свободной поверхности жидкости. l ↑ F ↑

Источник