Изучение капиллярных явлений жидкостей в школе

     Если  же s₁₃ >s₁₂+ s₂₃, то равновесная ситуация указанного вида невозможна и капля 2 растечется по всей поверхности жидкости 1 в виде тонкого молекулярного слоя. (Так ведет себя бензин на воде) [10]. 

     

     Рис. 8. Жидкость граничит с плоской поверхностью твердого тела,

     1 – поверхность твердого тела; 2 – жидкость; 3 – воздух. 

     Аналогичные явления имеют место и при соприкосновении жидкости с твердым телом. Форма, которую в этом случае принимает жидкость, определяется соотношением трех действующих на жидкость сил: силы тяжести, сил взаимодействия молекул жидкости и сил взаимодействия между частицами жидкости и частицами твердого тела, с которым она контактирует. Пусть жидкость 2 (рис.7) граничит с плоской поверхностью твердого тела 1. Величина краевого угла, как и в рассмотренном выше случае, определяется из условия равновесия (сумма проекций сил, приложенных к любому элементу длины линии соприкосновения трех сред 1,2 и 3 должна равняться нулю): 

     F = F cosq + F .     (16)

     Откуда

          (17)

     Если s₁₃ –s₁₂ = s₂₃, т.е. q = 0, то жидкость растекается тонким слоем по поверхности твердого тела.

     Это же будет наблюдаться и при 

     s₁₃- s₁₂ > s₂₃.      (18)

     Явление полного растекания жидкости называется полным смачиванием. Оно характерно, например, для воды на чистом стекле.

     Случай q=p (когда s₁₃+s₂₃ = s₁₂) соответствует полному несмачиванию твердого тела жидкостью. Оно наблюдается, например, для воды на парафине.

     Большей же частью наблюдается промежуточные  случаи частичного смачивания (q<p/2), а, или частичного несмачивания (q>p/2) [11].

     Линия, по которой мениск пересекается с  твердым телом, называется периметром смачивания [5].

     1. Если угол q< , (рис. 5, в) сила F направлена в сторону стенки; силы притяжения молекулы, а стенкой превосходят силы ее притяжения молекулами жидкости. Жидкость имеет вогнутый мениск, т.е. жидкость смачивает стенку.

     2. Если q> , (рис. 5, е) сила F направлена в сторону жидкости; силы притяжения молекулы a молекулами жидкости преобладают над силами притяжения ее частицами стенки. Мениск жидкости выпуклый, т.е. жидкость не смачивает стенки [5].

     3. Смачивание (несмачивание) считается идеальным, если q=0 (q=p). Соответственно мениск имеет вогнутую или выпуклую форму. Отсутствие смачивания и несмачивания соответствует условие, (рис. 5, б) при котором сила F параллельна поверхности стенки, поверхность жидкости плоская и q= жидкость имеет плоскую свободную поверхность.

     Вода  смачивает стекло, но не смачивает  свинец. Ртуть, напротив, смачивает  свинец, но не смачивает стекло. Точно  так же и свойства твердого тела сами по себе еще не могут определить, будет ли происходить смачивание или нет: стекло смачивается водой, но не смачивается  ртутью. Следовательно, ясно, что смачивание зависит в первую очередь от характера взаимодействия между контактирующими веществами. Это взаимодействие должно быть достаточно интенсивным, чтобы удерживать капли жидкости возле твердой поверхности.

     Аналогично  объясняется возможность «носить  воду в решете». Если покрыть нити, из которых сплетено решето, парафином  и слой воды не очень велик, то небольшое  перемещение уровня жидкости вниз будет сопровождаться увеличением поверхностной энергии, превосходящим по величине уменьшения энергии в поле сил тяготения. Поэтому вода будет удерживаться в решете, не проливаясь [9].

     Основную  роль смачивания играет сила, происхождение  которых обусловлено особым энергетическим состоянием поверхностного слоя любых тел в конденсированном состоянии.

     Эти силы часто называют капиллярными, так как именно они обеспечивают подъем смачивающих жидкостей в  капиллярах (т.е. двигаться в направлении, противоположно действию силы тяжести) [1].

     Когда жидкость смачивает подложку (твердую  или жидкую), эти силы заставляют нанесенную каплю растечься на некоторую  площадь, превышающую площадь начального контакта. Поэтому можно предложить и такое определение смачивания. Смачиванием называется физико-химическое явление самопроизвольного увеличение площади контакта жидкости  с поверхности твердого тела под действием поверхностью (капиллярных) сил.

     Смачивание - явление, возникающее при соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости. Выражается, в частности, в растекании жидкости по твердой поверхности, находящейся в контакте с газом (паром) или другой жидкостью [13].

     Смачивание – явление, возникающее при контакте твердых тел с жидкостями в результате молекулярного взаимодействия между ними» [1].

 

1.4. Капиллярные явления 

      При взаимодействии со стенкой сосуда силы поверхностного натяжения стремятся либо поднять  уровень жидкости (см. рис. 5, а), либо опустить его (см. рис. 5, б).

       
 
 
 
 

     

     

     Если  стенки трубки смачиваются жидкостью, то жидкость в ней поднимается (см. рис. 9, а), сели не смачиваются, то отпускается (см. рис. 9, б). Давление столба жидкости в трубке, поднятой на высоту h, компенсируется давлением, создаваемым поверхностным натяжением искривленной поверхности и направленным вверх (см. рис. 9, а). С учетом формулы p=p^|/2=2σ/r, имеем ρgh=2σ/R=2σ cosq/r, где ρ – плотность жидкости, R – радиус кривизны поверхности жидкости, r – радиус трубки (r=Rcosq).

     Аналогично  вычисляется глубина, на которую опускается уровень (см. рис. 9, б), когда жидкость несмачивающая. Высота ее подъема увеличивается с уменьшением радиуса трубки и велика у достаточно узких трубок, называемых капиллярами. Благодаря этому явления, обусловленные взаимодействием жидкости со стенками трубок, приводящем к возникновению поверхностного натяжения, получили название капиллярных.

     Движение  жидкости в капиллярах происходит под  действием сил поверхностного натяжения. Однако поверхностное натяжение  может вызывать не только движение жидкости в капиллярах, но и движение частиц на поверхности жидкости.

     Капиллярными  явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра – капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие – опускаются.

     Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкостью при условии, что присутствует третья (обычно, но не обязательно, газовая) фаза, причём происходит одновременный контакт всех этих трёх не смешивающихся фаз. Смачивание ответственно за растекание жидкости по твёрдой поверхности, за форму лежащих на ней капель, за пропитывание порошков и пористых веществ (капиллярные явления) и др.

     Смачивание  бывает двух видов:

     Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)

     Контактное (состоит из 3х фаз - твердая, жидкая, газообразная)

     Смачивание  зависит от соотношения между  силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).

     Степень смачивания характеризуется углом смачивания.

     Угол  смачивания (или краевой угол смачивания) – это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Измеряется методом лежащей капли. В случае порошков надёжных методов, дающих высокую степень воспроизводимости, пока (2009) не разработано. Предложен весовой метод определения степени смачивания, но он пока не стандартизован.

     Капиллярные явления – физические явления, обусловленные поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред. К капиллярным явлениям относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности ведет к появлению  в жидкости дополнительного капиллярного давления , величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа: , где σ₁₂-поверхностное натяжение на границе двух сред;p1 и p2-давления в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе) 2. В случае вогнутой поверхности жидкости (r<0) p1<p2 и <0. Для выпуклых поверхностей (r>0) p1>p2 и >0. Капиллярное давление создается силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведет к появлению составляющей, направленной внутрь объема одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела (r= ) такая составляющая отсутствует и .

     Капиллярные явления охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием сил межмолекулярного взаимодействия и внешних сил (в первую очередь силы тяжести). Когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости ограниченный объем жидкости, не соприкасающейся с другими телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку обладает минимальной поверхностью при данном объеме и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна. Форма шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой).

     При нескомпенсированной силе тяжести  картина существенно меняется. Маловязкая жидкость (например, вода), взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в который она налита. Её свободная поверхность оказывается практически плоской, т.к. силы земного притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося искривить и сократить поверхность жидкости. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли или пузырьки практически сферической формы (см. Капля). 
 

1.5. Силы, возникающие на кривой поверхности жидкости 

     Если  выдуть два пузыря, сообщающиеся между  собой через П-образную стеклянную трубку (рис. 10), снабженную резиновой манжетой 1. 

 
 
 
 
 

Рис. 10. П – образная стеклянная трубка.

     При выдувании пузыря участок 1 временно зажимают, чтобы пузыри могли приобрести разные размеры. Если, затем разжать участок 1, то произойдет самопроизвольное перетекание воздуха из меньшего пузыря в большой пузырь. И это свидетельствует о существовании разности давлений внутри пузырей и может быть связано с их неодинаковой кривизной [4].

     Мы  видели, что во многих случаях поверхность  жидкости оказывается искривленной. Можно, даже сказать, что нормальной для жидкости является именно не плоская поверхность, так как для того, чтобы поверхность жидкости была плоской, необходимо действие внешней силы — силы тяжести или силы взаимодействия с частицами вещества, граничащего с жидкостью (растекание жидкости при смачивании).