Змочування. Капілярні явища

Львівський  кооперативний коледж економіки  і права. 
 
 

 

 

 

Реферат  
на тему:»Змочування.Капілярні явища» 
 
 
 
 
 
 
 

                           

                               Роботу виконала: 
                                                                                                                  студентка групи БХ-23 
                                                                                                                        Мотревич Діана                                                                     

 

Львів 2013. 
 
 
Змочування – явище, що виникає при контакті рідини з поверхнею твердого тіла, в результаті якого вільна поверхня рідини скривлюється.Так, крапля води розтікається на склі (рис. 6.5, а), тоді як ртуть на тій же поверхні утворює сплюснуту краплю (рис. 6.5, б). У першому випадку говорять, що рідина змочує тверду поверхню, в другому – не змочує її. Змочування залежить від характеру сил, що діють між молекулами поверхневих шарів приведених до контакту середовищ. Явище змочування характеризує краєвий кут θ – кут між дотичними до поверхні рідини і твердого тіла. 
 0< θ <П/2  
 
Рідина змочує тверде тіло, якщо крайовий кут гострий (див. рис. 6.5, а):Вода змочує скло. Сили тяжіння між молекулами рідини і твердого тіла тут більші, ніж між молекулами самої рідини, і рідина прагне збільшити поверхню контакту з твердим тілом. Рідина не змочує тверде тіло, якщо крайовий кут тупий (див. рис.6.5, б): 
П/2< θ <П 
 
Ртуть не змочує скло. Сили тяжіння між молекулами рідини і твердого тілав цьому разі менші, ніж між молекулами рідини, і рідина прагне зібратися в кулю. 
 

 
 
При θ = 0 має місце повне змочування: рідина розтікається по поверхні твердого тіла, покриваючи його тонкою плівкою. При θ = π має місце повне незмочування: рідина стягується в кульову краплю, маючи лише одну точку дотику. Звичайно, обидва випадки – дещо ідеалізовані, бо фізично неможливі нескінченно тонкі плівки і контакт двох тіл розміром з математичну, нескінченно малу точку. Аде дуже близькими до наведених визначень можна вважати реальні приклади, такі як, відповідно, гас на поверхні скла і крапля води на поверхні парафіну.  
Неідеальністю наведених прикладів можна знехтувати. 
 
Змочування і незмочування – поняття відносні: рідина, що змочує одну тверду поверхню, не змочує іншу. Наприклад, вода змочує скло, але не змочує парафін, ртуть не змочує скло, але змочує чисті поверхні металів. 
 
На явищі змочування грунтується, наприклад, метод збагачення, флотації руди, – відокремлення руди від порожньої породи. Дрібно роздроблену руду збовтують в рідині, яка змочує порожню породу і що не змочує руду. Через цю суміш продувається повітря, а потім вона відстоюється. При цьому змочені рідиною частинки породи опускаються на дно, а крупинки мінералів «прилипають» до бульбашок повітря і спливають на поверхню рідини.

 

Якщо  помістити один кінець вузької трубки (капіляр) у широку посудину, наповнену  рідиною, то внаслідок змочування або  незмочування рідиною стінок капіляра кривизна поверхні рідини в капілярі стає значною. Якщо рідина змочує матеріал капіляра, то всередині його поверхня рідини – меніск – має увігнуту форму (рис. 6.6, а), а рівень рідини всередині капіляра вище відкритої поверхні. Якщо рідина не змочує матеріал капіляра, то меніск має опуклу форму (рис. 6.6, б) а рівень рідини всередині капіляра нижче відкритої поверхні. 
 

 
Під увігнутою поверхнею рідини з'явиться негативний надмірний тиск, у результаті рідина в капілярі піднімається, оскільки під плоскою поверхнею рідини в широкій посудині надмірного тиску немає. Якщо рідина не змочує стінки капіляра, то позитивний надмірний тиск приведе до опускання рідини в капілярі. Явища зміни висоти рівня рідини в капілярах називають капілярними явищами. 
Рідина в капілярі піднімається або опускається на таку висоту h, при 
якій тиск стовпа рідини (гідростатичний тиск) ρgh врівноважується надмірним тиском dπ 
      
Надмірний тиск створюється силами поверхневого натягу: 
 

r – радіус  капіляра, а косінус з’являється  тому, що маємо спроектуватисилу  на вертикальну вісь. Отже висота  підйому рідини (опускання в разівід’ємних  значень) в капілярі може бути  обчислена за формулою:

 

З цієї формули виходить, що висота підйому стовпа рідини в капілярі визначається як властивостями рідини, так і радіусом r капіляра. Капілярні явища відіграють велику роль у природі й техніці. Наприклад, вологообмін у грунті й рослинах здійснюється за рахунок підняття води по якнайтонших капілярах. На капілярності засновано дію гніту, вбирання вологи бетоном, тощо.

 

 

Додаткові повідомлення про змочування і капілярність. 
Змочуваність залежить від мікроструктури поверхні: ефект лотоса.  
Лотос - одна з прекрасних водних рослин на наший планеті. Його квітки не тільки дивовижно красиві, але і чисті, навіть якщо вода навколо каламутна і брудна. Листя і квітки не змочуються водою, тому краплі води скачуються з них, як кульки ртуті, змиваючи всю грязь. Навіть краплям клеївши і меду не вдається утриматися на поверхні листя лотоса. До речі, такими ж унікальними властивостями володіє листя не тільки лотоса, але і багатьох інших рослин, зокрема, звичайної капусти.

Виявилось, що вся поверхня листя  лотоса густо покрита мікропупиришками висотою близько 10 мкм, а самі пупиришки, у свою чергу, покриті мікроворсинками  ще меншого розміру

 

Дослідження показали, що всі ці мікропупиришки і мікроворсинки «зроблені» з  воску, як і поверхня багатьох рослин. Відомо, що віск погано змочується водою, але одна тільки наявність воску  на поверхні листя лотоса не може пояснити, чому відповідний краєвий кут  складає більше 160°, тоді як для листя  магнолії, які теж покриті воском, краєвий кут рівний лише 54°. Значить, саме пупирчаста структура поверхні листя лотоса значно зменшує їх змочуваність, в три (!) рази збільшуючи відповідний  краєвий кут. І ось чому.

Крапля води, потрапивши на поверхню листа лотоса, схожу на масажну  щітку, не проникає між мікропупиришками, оскільки цьому заважає великий  поверхневий натяг рідини. Адже для  того, щоб проникнути між мікропупиришками, краплі треба збільшити свою поверхню, а це енергетично невигідно. Тому крапля «парить на пуантах», між  якими знаходяться бульбашки  повітря, а це значно зменшує силу адгезії між краплею і поверхнею  листа. Значить, краплі вже невигідно  розтікатися і змочувати «колючу» поверхню, і вона згортається в  кульку, демонструючи дуже високий краєвий кут, як це зображено на малюнку.

Поверхня, аналогічна масажній мікрощітці, зменшує адгезію (прилипання) не тільки крапель води, але і  будь-яких частинок розміром більше 10 мкм, оскільки вони дотикається такої  поверхні лише в декількох точках. Тому частинки грязі, що опинилися на поверхні лотоса, або самі звалюються з нього, або захоплюються краплями води, що скачуються, адгезія до яких у них значно більше, чим до колючої  поверхні листа. Таке самоочищення називають  ефектом лотоса. Схоже влаштована поверхня крил метеликів і багатьох інших комах, для яких захист від  надмірної води життєво необхідний: намокнувши, вони втрачають здатність  літати.

Вивідавши у природи  секрети, учені змогли створити штучні покриття, здатні самоочищатися.  Ефект лотоса використовується для створення водовідштовхувальних покриттів, які самоочищаються, і фарб. Розробляється вітрове скло, яке самоочищається, зовнішня поверхня якого покрита мікроворсинками. На такому склі «двірникам» робити нічого. Зовсім скоро з'являться постійно чисті автомобільні колісні диски, а вже зараз можна пофарбувати зовні будинок фарбою, до якої грязь не прилипає. У таких технологій велике майбутнє.

Значення змочуваності в багатьох технологічних процесах, явищах живої і неживої природи  і в побуті важко переоцінити. Хороше змочування необхідне при  пранні, фарбуванні, склеюванні, паянні, створенні гідроізоляційних матеріалів і т.д. На явищі змочування заснована  флотація – один з основних методів  збагачення мінеральних руд, – а  також багато інших технологічних  процесів. Ефективними регуляторами змочування є поверхнево-активні  речовини. 
Що таке капіляри? 
Існують самі різні великі дороги і шосе між великими містами, що дозволяє доставляти в них продукти і інші необхідні речі. Але як бути з невеликими містечками і маленькими селами? Адже їм теж потрібні продукти і інші запаси. 
Вузькі дороги і путівці, які сполучають невеликі міста і села, нагадують капіляри в тілі людини. Як ми знаємо, кров виштовхується серцем у всі частини тіла, а великі судини, по яких вона тече, називаються артеріями. Але на віддалі від серця у всіх частинах тіла ці великі судини стають крихітними, схожими на волосок судинами, які називаються капілярами. 
Капіляр в 50 разів тонший за найтоншу людську волосину! Середній діаметр капіляра складає приблизно 0,008 мм. Він настільки вузький, що кров'яні тільця проходять по ньому поодинці і це приводить до того, що кров проходить по капілярах дуже поволі. 
 
На місці, займаному шпилькою, може поміститися близько 700 капілярів. Оскільки призначення капілярів полягає в тому, щоб розносити різні речовини по всьому організму і забирати їх, то ви можете уявити, що в тілі у людини є незліченна безліч капілярів. 
Що відбувається, коли кров приблизно одну секунду проходить через один капіляр? Кров не покидає капіляра. Але стінка у цього капіляра дуже тонка і складається лише з одного шару клітин. Через цю стінку кров виділяє свій кисень в прилеглі тканини. Натомість вона вбирає двоокис вуглецю, який віддають навколишні тканини. 
 
Одночасно інші речовини, які забезпечують живлення, для тканин поступають з крові, а продукти розпаду потрапляють в капіляри. У результаті кров і речовини, які вона з собою несе, повертаються по венах. 
 
Капілярні явища на будівництві. 
Для виключення явища капілярного підняття води з фундаменту  далі вгору по стіні, у всіх будівлях і спорудах передбачається горизонтальна гідроізоляція між фундаментом і стіною. 
 
Відсутність такої гідроізоляції - або помилка будівельників, або - руйнування гідроізоляції за довгий період експлуатації будівлі. Останнє характерний для старих споруд, зокрема, пам'ятників архітектури минулих століть. Необхідність  нової горизонтальної гідроізоляції може виникнути також при зміні гідрогеологічних умов, наприклад, при піднятті рівня ґрунтових вод. 
 
У всіх випадках в результаті капілярного просочування волога піднімається по фундаменту або стінах підвалу на рівень першого поверху. 
 
Найрадикальніший спосіб “лікування” в такій ситуації - суцільна  горизонтальна гідроізоляція шляхом блокування капілярів в матеріалі. Це досягається нагнітанням в пори матеріалу низьков'язкого полімерного продукту в суміші з затвердіваючим компонентом. Суміш, що нагнітається, затвердіває в порах, утворюючи водонепроникний шар в стіні або фундаменті на заданому рівні. 
 
Для ін'єкції застосовуються 2-х компонентні насоси, в яких остаточне змішування сировинних матеріалів відбувається безпосередньо перед ін'єкцією. 
 
У разі, коли необхідно зупинити капілярне підняття , але при цьому зберегти повітро- і паро- проникність ізольованої ділянки стіни, застосовується просочення матеріалу гідрофобізуючими складами. Володіючи дуже низькою в'язкістю, розчин проникає в найтонші пори. При випаровуванні розчинника відбувається адсорбція метилсиліконатів на поверхню цементних пір. Полярна частина молекул зчіплюється з цементним каменем, а органічна - виявляється на поверхні пір, додаючи їй гідрофобні (водовідштовхувальні) властивості. В результаті, матеріал виявляється не здатний поглинати і передавати краплинно-рідку вологу. Але при цьому пори залишаються відкритими, повітро- і паропроникність цегляної кладки зберігається і стіна поступово висихає. 
 
Щоб стіни будівлі швидше висихали застосовується спеціальна штукатурка, що висушує, яка наноситься на стіни приміщення і видаляє з них вологу, не заважаючи нормальної експлуатації цих приміщень. Ефективність даної штукатурки полягає в тому, що вона через свої капіляри відводить в атмосферу надлишок вологи, накопиченої в стіні. 
 
При подальшій, так званій «фінішній» обробці, такі стіни повинні оброблятися матеріалами, що дають стіні «дихати», тобто що не перешкоджають поступовому випаровуванню вологи.

 

 

 
Список використаної літератури: 
 
1. С. У. Гончаренко Фізика 10 клас Посібник для ліцеїв та класів природничо-наукового профілю,К., - «Освіта», 1995

2.А. С. Кривошея Поясни Узнай Зроби сам, «Радянська школа», 1969

3.Е. А. Безденежных, И. С. Брикман Физика в живой природе и медицине, «Рад. школа», 1976

4.Л. В. Тарасов Физика в природе, М., «Просвещение», 1988

5.http://www.nkj.ru

6. http://www.elkin52.narod.ru/