В чем сущность капиллярных явлений. Что такое капиллярные явления и чем они объясняются? Сила поверхностного натяжения

Если вы любите пить коктейли или другие напитки из трубочки, то наверняка замечали, что когда один из ее концов опущен в жидкость, уровень напитка в ней несколько выше, чем в чашке или бокале. Почему так происходит? Обычно люди над этим не задумываются. А вот физики подобные феномены уже давно успели хорошо изучить и даже дали им собственное название - капиллярные явления. Пришел и наш черед выяснить, почему так происходит и как объясняется данные феномен.

Почему происходят капиллярные явления

В природе всему происходящему есть разумное объяснение. Если жидкость является смачивающей (к примеру, вода в пластмассовой трубке), она будет подниматься вверх по трубочке, а если несмачивающей (например, ртуть в стеклянной колбочке) - то опускаться. Причем чем меньше радиус такого капилляра, тем на большую высоту поднимется или опустится жидкость. Чем объясняются такие капиллярные явления? Физика говорит, что они происходят в результате воздействия сил Если приглядеться к поверхностному слою жидкости в капилляре, то можно заметить, что по своей форме он представляет собой некую окружность. Вдоль ее границы на стенки трубочки оказывает так называемого поверхностного натяжения. Причем, для смачивающей жидкости вектор ее направления обращен вниз, а для несмачивающей - вверх.

Согласно третьему она неизбежно вызывает равное ей по модулю противодействующее давление. Как раз оно и заставляет подниматься или опускаться жидкость в узкой трубке. Этим и объясняются всевозможные капиллярные явления. Впрочем, наверняка у многих уже возник закономерный вопрос: «А когда же прекратится подъем или опускание жидкости?» Это произойдет в том случае, когда сила тяжести, или сила Архимеда, уравновесит силу, заставляющую жидкость двигаться по трубочке.

Как можно использовать капиллярные явления?

С одним из применений данного явления, которое получило широкое распространение в производстве канцелярских изделий, знаком практически каждый студент или ученик. Вы, наверное уже догадались, что речь идет о

Ее устройство позволяет писать практически в любом положении, а тонкий и четкий след на бумаге давно сделал этот предмет весьма популярным среди пишущей братии. также широко используют в сельском хозяйстве для регулирования движения и сохранения влаги в почве. Как известно, земля, где выращиваются культуры, имеет рыхлое строение, в котором между отдельными ее частицами находятся узкие промежутки. По сути, это не что иное, как капилляры. По ним вода поступает к корневой системе и обеспечивает растения необходимой влагой и полезными солями. Однако по этим путям почвенные воды также поднимаются вверх и достаточно быстро испаряются. Чтобы предотвратить этот процесс, следует разрушить капилляры. Как раз для этого и проводят рыхление почвы. А иногда возникает и обратная ситуация, когда требуется усилить движение воды по капиллярам. В этом случае грунт укатывают, и благодаря этому число узких каналов увеличивается. В быту капиллярные явления используют при самых разных обстоятельствах. Использование промокательной бумаги, полотенец и салфеток, применение фитилей в и в технике - все это возможно благодаря наличию в их составе узких длинных каналов.

) — сила, обусловленная капиллярными явлениями. К капиллярным явлениям относятся поверхностные явления на границе жидкости с другой средой, связанные с искривлением ее .

Описание

Искривление поверхности жидкости на границе с газовой фазой происходит в результате действия поверхностного натяжения жидкости, которое стремится сократить поверхность раздела и придать ограниченному объему жидкости форму с наименьшим потенциалом сил поверхностного натяжения. Силы поверхностного натяжения создают под поверхностью раздела фаз дополнительное давление (капиллярное давление), величина которого определяется формулой Лапласа:

где - поверхностное натяжение, а - средний радиус кривизны поверхности.

В случае достаточно больших масс жидкости действие поверхностного натяжения компенсируется силой тяжести, поэтому капиллярные явления проявляются прежде всего в случае нахождения жидкости в узких каналах (капиллярах) и пористых средах.

В узком канале граница раздела жидкости с газом принимает искривленную форму (мениск), выпуклую в случае несмачивания жидкостью стенок капилляра и вогнутую в случае смачивания. Выпуклый мениск создает под своей поверхностью избыточное давление, вогнутый мениск - отрицательное давление (разрежение). Последнее явление заставляет жидкость затекать в капилляры со смачиваемыми стенками, в том числе против силы тяжести, что играет важную роль во многих биологических процессах. Капиллярные явления в пористых средах отвечают за распространение грунтовых вод, пропитывание жидкостями тканей и других волокнистых материалов (эффект фитиля). При взаимодействии двух шероховатых смоченных поверхностей вблизи локальных пятен контакта возникают мениски жидкости, приводящие к возникновению капиллярной .

Иллюстрации

Авторы

• Горячева Ирина Георгиевна
• Шпенёв Алексей Геннадьевич

Источники

1. Capillary action // Wikipedia, the free Encyclopedia. -www.en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action (дата обращения: 26.07.2010).
2. Капиллярные явления // Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская энциклопедия, 1990. С. 310–311.
3. Капиллярные явления // Большая Советская энциклопедия. 3-е изд., 1969–1978.

Пусть жидкость находится в каком-либо сосуде. Если расстояния между поверхностями, ограничивающими жидкость сравнимы с радиусом кривизны поверхности жидкости, то такие сосуды называются капиллярами . Явления, происходящие в капиллярах, называются капиллярными явлениями . К капиллярным явлениям относят капиллярный подъём жидкости и капиллярное сцепление между смачиваемыми поверхностями.

Наиболее простыми и часто используемыми капиллярами являются цилиндрические капилляры (рис.10.10). Поверхность жидкости в таких капиллярах является сферической. Пусть r - радиус кривизны поверхности жидкости, R – радиус капилляра, θ – краевой угол. В случае частичного смачивания жидкость будет подниматься по капилляру под действием давления Лапласа, до тех пор, пока его не скомпенсирует гидравлическое давление жидкости:

Где ρ – плотность жидкости, g – ускорение силы тяжести, h – высота капиллярного подъёма. Радиус кривизны поверхности жидкости удобно выразить через радиус капилляра, который можно легко измерить: . Подставляя давление Лапласа для сферической поверхности выражение (10-12), получим:

В случае полного смачивания θ =0 о, cos θ =1 , r = R и формула высоты капиллярного подъёма имеет вид:

При полном несмачивании θ=180 о, cos θ = - 1, и высота капиллярного подъёма будет отрицательной, то есть поверхность жидкости опустится на величину h (рис. 10.11).

Интересно отметить, что в сообщающихся капиллярах высота уровня жидкости не одинакова. Наибольший капиллярный подъём наблюдается в самом узком капилляре, а наименьший – в самом широком капилляре (рис.10.12).

Для полного смачивания . Капиллярные явления наблюдаются при подъёме воды к поверхности почвы, при использовании промокательной бумаги, тряпки, при подъёме керосина в фитилях и т.п.

С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения жидкостей уменьшается, а при критической температуре равен нулю. Коэффициент поверхностного натяжения жидкостей зависит также от плотности и молярной массы жидкости. Причём зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры выражена тем сильнее, чем больше плотность жидкости и меньше её молярная масса. Для определения коэффициента поверхностного натяжения можно использовать полуэмпирическую формулу:

(10-14)

Здесь В – постоянный коэффициент, практически одинаковый для всех жидкостей, Т к – критическая температура, ρ- плотность жидкости, μ – её молярная масса, τ- небольшая величина размерности температуры. Формула (10-14) неприменима вблизи критической температуры. Коэффициент поверхностного натяжения водных растворов зависит от рода растворённого вещества. Одни вещества, например, такие как спирт, мыло, стиральные порошки, растворённые в воде, имеющие меньшую, чем у воды плотность, приводят к уменьшению коэффициента поверхностного натяжения и называются поверхностно активными веществами . Поверхностно активные вещества применяют в качестве смачивателей, флотационных реагентов, пенообразователей, диспергаторов- понизителей твёрдости, пластифицирующих добавок, модификаторов кристаллизации и т.п. Увеличение концентрации таких веществ приводит к уменьшению коэффициента поверхностного натяжения. Другие вещества, растворённые в воде, например, сахар, соль, приводят к увеличению плотности раствора и увеличивают коэффициент поверхностного натяжения. Увеличение концентрации таких веществ приводит к увеличению коэффициента поверхностного натяжения. Для экспериментального определения коэффициентов поверхностного натяжения используют несколько методов измерения: метод Ребиндера, метод капиллярных волн, метод капли и пузырька и др.

Капиллярные явления , поверхностные явления на границе жидкости с др. средой, связанные с искривлением ее поверхности. Искривление поверхности жидкости на границе с газовой фазой происходит в результате действия поверхностного натяжения жидкости, которое стремится сократить поверхность раздела и придать ограниченному объему жидкости форму шара. Поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, такая форма отвечает минимуму поверхностной энергии жидкости, т.е. ее устойчивому равновесному состоянию. В случае достаточно больших масс жидкости действие поверхностного натяжения компенсируется силой тяжести, поэтому маловязкая жидкость быстро принимает форму сосуда, в который она налита, а ее своб. поверхность представляется практически плоской.

В отсутствие силы тяжести или в случае очень малых масс жидкость всегда принимает сферическую форму (капля), кривизна поверхности которой определяет мн. свойства вещества. Поэтому капиллярные явления ярко выражены и играют существенную роль в условиях невесомости, при дроблении жидкости в газовой среде (или распылении газа в жидкости) и образовании систем, состоящих из многих капель или пузырьков (эмульсий, аэрозолей, пен), при зарождении новой фазы капель жидкости при конденсации паров, пузырьков пара при вскипании, зародышей кристаллизации. При контакте жидкости с конденсированными телами (другой жидкостью или твердым телом) искривление поверхности раздела происходит в результате действия межфазного натяжения.

В случае смачивания, например, при соприкосновении жидкости с твердой стенкой сосуда, силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, вследствие чего примыкающий к стенке участок поверхности жидкости принимает вогнутую форму. В узких каналах, например, цилиндрических капиллярах, образуется вогнутый мениск - полностью искривленная поверхность жидкости (рис. 1).

Рис. 1. Капиллярное поднятие на высоту h жидкости, смачивающей стенки капилляра радиуса r; q - краевой угол смачивания.

Капиллярное давление.

Так как силы поверхностного (межфазного) натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости, искривление последней ведет к появлению составляющей, направленной внутрь объема жидкости. В результате возникает капиллярное давление, величина которого Dp связана со средним радиусом кривизны поверхности r 0 уравнением Лапласа :

Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)

где p 1 и p 2 - давления в жидкости 1 и соседней фазе 2 (газе или жидкости), s 12 - поверхностное (межфазное) натяжение.

Если поверхность жидкости вогнута (r 0 < 0), давление в ней оказывается пониженным по сравнению с давлением в соседней фазе p 1 < р 2 и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r 0 > 0) знак Dp изменяется на обратный. Отрицательное капиллярное давление, возникающее в случае смачивания жидкостью стенок капилляра, приводит к тому, что жидкость будет всасываться в капилляр до тех пор, пока вес столба жидкости высотой h не уравновесит перепад давления Dp. В состоянии равновесия высота капиллярного поднятия определяется формулой Жюрена:

где r 1 и r 2 - плотности жидкости 1 и среды 2, g - ускорение силы тяжести, r - радиус капилляра, q - краевой угол смачивания. Для несмачивающих стенки капилляра жидкостей cos q < 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

Из выражения (2) следует определение капиллярной постоянной жидкости а = 1/2 . Она имеет размерность длины и характеризует линейный размер Z [ а, при котором становятся существенными капиллярные явления Так, для воды при 20 °С а = 0,38 см. При слабой гравитации (g: 0) значение а возрастает. На участке контакта частиц капиллярная конденсация приводит к стягиванию частиц под действием пониженного давления Dp < 0.

Уравнение Кельвина.

Искривление поверхности жидкости приводит к изменению над ней равновесного давления пара р по сравнению с давлением насыщенного пара p s над плоской поверхностью при той же температуре Т. Эти изменения описываются уравнением Кельвина:

где - молярный объем жидкости, R - газовая постоянная. Понижение или повышение давления пара зависит от знака кривизны поверхности: над выпуклыми поверхностями (r 0 > 0) p > p s ; над вогнутыми (r 0 < 0) р < р s . . Так, над каплями давление пара повышено; в пузырьках, наоборот, понижено.

На основании уравнения Кельвина рассчитывают заполнение капилляров или пористых тел при капиллярной конденсации . Так как значения р различны для частиц разных размеров или для участков поверхности, имеющей впадины и выступы, уравнение (3) определяет и направление переноса вещества в процессе перехода системы к состоянию равновесия. Это приводит, в частности, к тому, что относительно крупные капли или частицы растут за счет испарения (растворения) более мелких, а неровности поверхности некристаллические тела сглаживаются за счет растворения выступов и залечивания впадин. Заметные различия давления пара и растворимости имеют место лишь при достаточно малых r 0 (для воды, например, при r 0 . Поэтому уравнение Кельвина часто используется для характеристики состояния коллоидных систем и пористых тел и процессов в них.

Рис. 2. Перемещение жидкости на длину l в капилляре радиуса r; q - краевой угол.

Капиллярная пропитка.

Понижение давления под вогнутыми менисками - одна из причин капиллярного перемещения жидкости в сторону менисков с меньшим радиусом кривизны. Частным случаем этого является пропитка пористых тел - самопроизвольное всасывание жидкостей в лиофильные поры и капилляры (рис. 2). Скорость v перемещения мениска в горизонтально расположенном капилляре (или в очень тонком вертикальном капилляре, когда влияние силы тяжести мало) определяется уравнением Пуазейля :

где l - длина участка впитавшейся жидкости, h - ее вязкость, Dp - перепад давления на участке l , равный капиллярному давлению мениска: Dp = — 2s 12 cos q/r. Если краевой угол q не зависит от скорости v, можно рассчитать количество впитавшейся жидкости за время t из соотношения:

l (t ) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)

Если q есть функция v , то l и v связаны более сложными зависимостями.

Уравнения (4) и (5) используют для расчетов скорости пропитки при обработке древесины антисептиками , крашении тканей, нанесении катализаторов на пористые носители, выщелачивании и диффузионном извлечении ценных компонентов горных пород и др. Для ускорения пропитки часто используют ПАВ, улучшающие смачивание за счет уменьшения краевого угла q. Один из вариантов капиллярной пропитки - вытеснение из пористой среды одной жидкости другой, не смешивающейся с первой и лучше смачивающей поверхность пор. На этом основаны, например, методы извлечения остаточной нефти из пластов водными растворами ПАВ, методы ртутной порометрии. Капиллярное впитывание в поры растворов и вытеснение из пор несмешивающихся жидкостей, сопровождающиеся адсорбцией и диффузией компонентов, рассматриваются физико-химической гидродинамикой .

Помимо описанных равновесных состояний жидкости и ее движения в порах и капиллярах, к капиллярные явления относят также равновесные состояния очень малых объемов жидкости, в частности тонких слоев и пленок. Эти капиллярные явления часто называют капиллярные явления II рода. Для них характерны, например, зависимость поверхностного натяжения жидкости от радиуса капель и линейное натяжение. Капиллярные явления впервые исследованы Леонардо да Винчи (1561), Б. Паскалем (17 в.) и Дж. Жюреном (18 в.) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1804), А. Ю. Давыдова (1851), Дж. У. Гиббса (1876), И. С. Громеки (1879, 1886). Начало развития теории капиллярных явлений II рода положено трудами Б. В. Дерягина и Л. М. Щербакова.

Среди процессов, которые можно объяснить с помощью поверхностного натяжения и смачивания жидкостей, стоит особо выделить капиллярные явления. Физика - это загадочная и необыкновенная наука, без которой жизнь на Земле была бы невозможна. Давайте рассмотрим наиболее яркий пример этой важной дисциплины.

В жизненной практике такие интересные с точки зрения физики процессы, как капиллярные явления, встречаются весьма часто. Все дело в том, что в повседневной жизни нас окружает много тел, которые легко впитывают в себя жидкость. Причина этому - их пористая структура и элементарные законы физики, а результат - капиллярные явления.

Узкие трубки

Капилляр - это очень узкая трубка, в которой жидкость ведет себя особым образом. Примеров таких сосудов много в природе - капилляры кровеносной системы, пористых тел, почвы, растений и т. д.

Капиллярным явлением называется подъем или опускание жидкостей по узким трубкам. Такие процессы наблюдаются в естественных каналах человека, растений и других тел, а также в специальных узких сосудах из стекла. На картинке видно, что в сообщающихся трубках разной толщины установился разный уровень воды. Отмечено, что чем тоньше сосуд, тем выше уровень воды.

Эти явления лежат в основе впитывающих свойств полотенца, питания растений, движения чернил по стержню и многих других процессов.

Капиллярные явления в природе

Описанный выше процесс чрезвычайно важен для поддержания жизнедеятельности растений. Почва довольно рыхлая, между ее частицами существуют промежутки, которые представляют собой капиллярную сеть. По этим каналам поднимается вода, питая корневую систему растений влагой и всеми необходимыми веществами.

По этим же капиллярам жидкость активно испаряется, поэтому необходимо производить вспахивание земли, которое разрушит каналы и удержит питательные вещества. И наоборот, прижатая земля быстрее испарит влагу. Этим обусловлена важность перепашки земли для удержания подпочвенной жидкости.

В растениях капиллярная система обеспечивает подъем влаги от мелких корешков до самых верхних частей, а через листья она испаряется во внешнюю среду.

Поверхностное натяжение и смачивание

В основе вопроса о поведении жидкости в сосудах лежат такие физические процессы, как поверхностное натяжение и смачивание. Капиллярные явления, обусловленные ими, изучаются в комплексе.

Под действием силы поверхностного натяжения смачивающая жидкость в капиллярах находится выше уровня, на котором она должна находиться согласно закону сообщающихся сосудов. И наоборот, несмачивающая субстанция располагается ниже этого уровня.

Так, вода в стеклянной трубке (смачивающая жидкость) поднимается на тем большую высоту, чем тоньше сосуд. Напротив, ртуть в стеклянной пробирке (несмачивающая жидкость) опускается тем ниже, чем тоньше эта емкость. Кроме того, как указано на картинке, смачивающая жидкость образует вогнутую форму мениска, а несмачивающая - выпуклую.

Смачивание

Это явление, которое происходит на границе, где жидкость соприкасается с твердым телом (другой жидкостью, газами). Оно возникает по причине особого взаимодействия молекул на границе их контакта.

Полное смачивание означает, что капля растекается по поверхности твердого тела, а несмачивание преобразует ее в сферу. На практике чаще всего встречается та или иная степень смачивания, нежели крайние варианты.

Сила поверхностного натяжения

Поверхность капли имеет шарообразную форму и причина этому закон, действующий на жидкости, - поверхностное натяжение.

Капиллярные явления связаны с тем, что вогнутая сторона жидкости в трубке стремится выпрямиться до плоского состояния благодаря силам поверхностного натяжения. Это сопровождается тем, что наружные частицы увлекают за собой вверх тела, находящиеся под ними, и субстанция поднимается вверх по трубке. Однако жидкость в капилляре не может принимать плоскую форму поверхности, и этот процесс подъема продолжается до определенного момента равновесия. Чтобы рассчитать высоту, на которую поднимется (опустится) столб воды, нужно воспользоваться формулами, которые будут представлены ниже.

Расчет высоты подъема столба воды

Момент остановки подъема воды в узкой трубке наступает, когда сила тяжести Р тяж субстанции уравновесит силу поверхностного натяжения F. Этот момент определяет высоту подъема жидкости. Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами:

• сила тяжести Р тяж заставляет жидкость опускаться вниз;
• сила поверхностного натяжения F двигает воду вверх.

Сила поверхностного натяжения, действующая по окружности, где жидкость соприкасается со стенками трубки, равна:

где r - радиус трубки.

Сила тяжести, действующая на жидкость в трубке равна:

Р тяж = ρπr2hg,

где ρ - плотность жидкости; h - высота столба жидкости в трубке;

Итак, субстанция прекратит подниматься при условии, что Р тяж = F, а это значит, что

ρπr 2 hg = σ2πr,

отсюда высота жидкости в трубке равна:

Точно так же для несмачивающей жидкости:

h - это высота опускания субстанции в трубке. Как видно из формул, высота, на которую поднимется вода в узком сосуде (опустится) обратно пропорционально радиусу емкости и плотности жидкости. Это касается смачивающей жидкости и несмачивающей. При других условиях нужно делать поправку по форме мениска, что будет представлено в следующей главе.

Лапласовское давление

Как уже отмечалось, жидкость в узких трубках ведет себя так, что создается впечатление нарушения закона сообщающихся сосудов. Этот факт всегда сопровождает капиллярные явления. Физика объясняет это с помощью лапласовского давления, которое при смачивающей жидкости направлено вверх. Опуская очень узкую трубку в воду, наблюдаем, как жидкость втягивается на определенный уровень h. По закону сообщающихся сосудов, она должна была уравновеситься с внешним уровнем воды.

Это несоответствие объясняется направлением лапласовского давления p л:

В данном случае оно направлено вверх. Вода втягивается в трубку до уровня, где приходит уравновешивание с гидростатическим давлением p г столба воды:

а если p л =p г, то можно приравнять и две части уравнения:

Теперь высоту h легко вывести в виде формулы:

Когда смачивание полное, тогда мениск, который образует вогнутая поверхность воды, имеет форму полусферы, где Ɵ=0. В таком случае радиус сферы R будет равен внутреннему радиусу капилляра r. Отсюда получаем:

А в случае неполного смачивания, когда Ɵ≠0, радиус сферы можно вычислить по формуле:

Тогда искомая высота, имеющая поправку на угол, будет равна:

h=(2σ/pqr)cos Ɵ .

Из представленных уравнений видно, что высота h обратно пропорциональна внутреннему радиусу трубки r. Наибольшей высоты вода достигает в сосудах, имеющих диаметр человеческого волоса, которые и называются капиллярами. Как известно, смачивающая жидкость втягивается вверх, а несмачивающая - выталкивается вниз.

Можно провести эксперимент, взяв сообщающиеся сосуды, где один из них широкий, а другой - очень узкий. Налив туда воду, можно отметить разный уровень жидкости, причем в варианте со смачивающей субстанцией уровень в узкой трубке выше, а с несмачивающей - ниже.

Важность капиллярных явлений

Без капиллярных явлений существование живых организмов просто невозможно. Именно по мельчайшим сосудам человеческое тело получает кислород и питательные вещества. Корни растений - это сеть капилляров, которая вытягивает влагу из земли, донося ее до самых верхних листьев.

Простая бытовая уборка невозможна без капиллярных явлений, ведь по этому принципу ткань впитывает воду. Полотенце, чернила, фитиль в масляной лампе и множество устройств работает на этой основе. Капиллярные явления в технике играют важную роль при сушке пористых тел и других процессах.

Порой эти же явления дают нежелательные последствия, например, поры кирпича впитывают влагу. Чтобы избежать отсыревания зданий под воздействием грунтовых вод, нужно защитить фундамент с помощью гидроизолирующих материалов - битума, рубероида или толя.

Промокание одежды во время дождя, к примеру, брюк до самых колен от ходьбы по лужам также обязано капиллярным явлениям. Вокруг нас множество примеров этого природного феномена.

Эксперимент с цветами

Примеры капиллярных явлений можно найти в природе, особенно если говорить о растениях. Их стволы имеют внутри множество мелких сосудов. Можно провести эксперимент с окрашиванием цветка в какой-либо яркий цвет в результате капиллярных явлений.

Нужно взять ярко окрашенную воду и белый цветок (или лист пекинской капусты, стебель сельдерея) и поставить в стакан с этой жидкостью. Через какое-то время на листьях пекинской капусты можно наблюдать, как краска продвигается вверх. Цвет растения постепенно изменится соответственно краске, в которую он помещен. Это обусловлено движением субстанции вверх по стеблям согласно тем законам, которые были рассмотрены нами в этой статье.