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 pЛ, 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:
|
|
pЛ = 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 pЛ в трубке направлено вверх. Оно и втягивает воду вверх до тех пор, пока не окажется уравновешенным гидростатическим давлением pГ столба воды в трубке высотой h, равным pГ = ρgh. При pЛ = 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.