Смачивание. Капиллярность

Билет 10

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество (вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин). Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей (ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые цинк и медь).

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так как показано на рис.4.1а, либо так как на рис.4.1б. В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором – нет. Отмеченный на рисунке угол θ называют краевым углом. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для несмачивающих – тупой.

Мерой смачивания служит косинус краевого угла (cos θ), который положителен для смачивающих жидкостей и отрицателен для несмачивающих. При полном смачивании cos θ = 1, при полном несмачивании cos θ = –1.

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда называется мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск, а у несмачивающей выпуклый.

Т.к. площадь поверхности мениска больше, чем площадь внутреннего сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться и этим создает дополнительное давление p_Л, направленное от жидкости при смачивании, и внутрь жидкости при несмачивании. Величина этого давления была определена фр.ученым П.Лапласом, поэтому его часто называют лапласовским давлением.

Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R это давление выражается формулой:

p_Л = 2 σ / R (4.4)

Искривление поверхности жидкости в узких трубках приводит к кажущемуся нарушению закона сообщающихся сосудов. Если в воду опустить узкую стеклянную трубку (рис.4.2а), то вода втягивается в трубку и ее уровень располагается на высоте h над уровнем воды вне трубки. Объясняется это тем, что лапласовское давление p_Л в трубке направлено вверх. Оно и втягивает воду вверх до тех пор, пока не окажется уравновешенным гидростатическим давлением p_Г столба воды в трубке высотой h, равным p_Г = ρgh. При p_Л = p имеем 2 σ / R = ρgh, откуда

h = 2 σ / ρgR (4.5)

Высота h тем больше, чем меньше внутренний радиус трубки r. Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капиллярами. Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх, а несмачивающая – опускается вниз. Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающих жидкостей из капилляров, называются капиллярными явлениями.

Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках, но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они расположены.

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, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим ка­пиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится 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 и т. п. Боль­шое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Напр., чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капил­ляров. В бумажной промышленности приходится учитывать капил­лярность при изготовлении различных сортов бумаги. Напр., при изготовлении писчей бумаги ее пропитывают специальным со­ставом, закупоривающим капилляры. В быту капиллярные явления используют в фитилях, в промокательной бумаге, в перьях для по­дачи чернил и т.п.