Капилярни явления, повърхностни явления на границата на течност с друга среда, свързани с кривината на нейната повърхност. Кривина на повърхността на течността на границата с газова фазавъзниква в резултат на действието на повърхностното напрежение на течността, което се стреми да намали повърхността на раздела и да придаде на ограничен обем течност формата на топка. Тъй като сферата има минимална повърхностна площ за даден обем, тази форма съответства на минималната повърхностна енергия на течността, т.е. неговото стабилно равновесно състояние. В случай на достатъчно големи маси течност, ефектът на повърхностното напрежение се компенсира от гравитацията, така че течността с нисък вискозитет бързо приема формата на съд, в който се излива, и е свободна. повърхността изглежда почти равна.
При липса на гравитация или при много малки маси течността винаги придобива сферична форма (капка), чиято кривина на повърхността определя много други. свойства на дадено вещество. Следователно, капилярните явления са изразени и играят съществена роляв условия на безтегловност, по време на раздробяване на течност в газообразна среда (или атомизация на газ в течност) и образуване на системи, състоящи се от много капки или мехурчета (емулсии, аерозоли, пени), по време на появата на нов фаза на течни капки по време на кондензация на пара, мехурчета на пара по време на кипене, кристализационни ядра. Когато течност влезе в контакт с кондензирани тела (друга течност или твърдо тяло), изкривяването на границата възниква в резултат на действието на междуфазното напрежение.
В случай на намокряне, например, когато течност влезе в контакт с твърда стена на съд, силите на привличане, действащи между молекулите на твърдото вещество и течността, я карат да се издига по стената на съда, в резултат на което участъкът от течната повърхност, съседен на стената, придобива вдлъбната форма. В тесни канали, например цилиндрични капиляри, се образува вдлъбнат менискус - напълно извита течна повърхност (фиг. 1).
Ориз. 1. Капилярна елевация чтечност, намокряща стените на капиляр с радиус r; q - контактен ъгъл на намокряне.
капилярно налягане.
Тъй като силите на повърхностно (междуфазово) напрежение са насочени тангенциално към повърхността на течността, кривината на последната води до появата на компонент, насочен вътре в обема на течността. В резултат на това възниква капилярно налягане, чиято стойност Dp е свързана със средния радиус на кривина на повърхността r 0 чрез уравнението на Лаплас:
Dp = p 1 - p 2 \u003d 2s 12 / r 0, (1)
където p 1 и p 2 - налягане в течност 1 и съседна фаза 2 (газ или течност), s 12 - повърхностно (междуфазово) напрежение.
Ако повърхността на течността е вдлъбната (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) знакът на Dp е обърнат. Отрицателното капилярно налягане, което възниква, когато стените на капиляра се намокрят с течност, води до факта, че течността ще бъде засмукана в капиляра, докато теглото на височината на колоната на течността чняма да балансира спада на налягането Dp. В състояние на равновесие височината на капилярното издигане се определя от формулата на Джурин:
където r 1 и r 2 са плътностите на течност 1 и среда 2, g е ускорението на гравитацията, r е радиусът на капиляра, q е ъгълът на намокряне. За течности, които не мокрят капилярните стени, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
От израз (2) следва дефиницията на капилярната константа на течността а= 1/2. Има измерението на дължината и характеризира линейния размер З[а,при което капилярните явления стават значителни Така че, за вода при 20 ° C а = 0,38 см. При слаба гравитация (g: 0), стойността асе увеличава. В зоната на контакт на частиците капилярната кондензация води до свиване на частиците под действието на намалено налягане Dp< 0.
Уравнение на Келвин.
Кривината на повърхността на течността води до промяна в равновесното налягане на парите над нея Рв сравнение с налягането наситена пара пспо-горе плоска повърхностпри същата температура T.Тези промени се описват от уравнението на Келвин:
където е моларният обем на течността, R е газовата константа. Намаляването или увеличаването на налягането на парите зависи от знака на кривината на повърхността: върху изпъкнали повърхности (r 0 > 0) p > p s ;над вдлъбнат (r 0< 0) Р< р s . . И така, над капките налягането на парите се увеличава; в мехурчетата, напротив, тя се понижава.
Въз основа на уравнението на Келвин пълненето на капиляри или порести тела се изчислява при капилярна кондензация.Тъй като стойностите Рса различни за частици с различни размери или за повърхностни участъци с вдлъбнатини и изпъкналости, уравнение (3) също определя посоката на пренос на материя в процеса на преминаване на системата към равновесно състояние. Това води по-специално до факта, че относително големи капки или частици растат поради изпаряването (разтварянето) на по-малките, а повърхностните неравности на некристалните тела се изглаждат поради разтварянето на изпъкналостите и заздравяването на вдлъбнатините. Забележими разлики в налягането на парите и разтворимостта възникват само при достатъчно малки r 0 (за вода, например при r 0. Следователно уравнението на Келвин често се използва за характеризиране на състоянието колоидни системии порести тела и процеси в тях.
Ориз. 2. Изместване на течността по дължина лв капиляр с радиус r; q - контактен ъгъл.
капилярна импрегнация.
Намаляването на налягането под вдлъбнатите мениски е една от причините за капилярното движение на течността към менискусите с по-малък радиус на кривина. Частен случай на това е импрегнирането на порести тела - спонтанната абсорбция на течности в лиофилни пори и капиляри (фиг. 2). Скорост vдвижението на менискуса в хоризонтално разположен капиляр (или в много тънък вертикален капиляр, когато влиянието на гравитацията е малко) се определя от уравнението на Поазейл:
където ле дължината на сечението на абсорбираната течност, h е неговият вискозитет, Dp е спадът на налягането в сечението л, равно на капилярното налягане на менискуса: Dp = - 2s 12 cos q/r. Ако контактният ъгъл q не зависи от скоростта v,възможно е да се изчисли количеството абсорбирана течност през времето Tот съотношението:
л(T) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Ако q е функция v, тогава ли vсвързани с по-сложни взаимоотношения.
Уравнения (4) и (5) се използват за изчисляване на скоростта на импрегниране при третиране на дърво с антисептици, боядисване на тъкани, прилагане на катализатори към порести носители, излугване и дифузионна екстракция на ценни компоненти на скалите и др. За да се ускори импрегнирането, повърхностноактивните вещества често се използват, които подобряват омокрянето чрез намаляване на контактния ъгъл q. Една от възможностите за капилярно импрегниране е изместването на една течност от пореста среда с друга, която не се смесва с първата и по-добре овлажнява повърхността на порите. Това е основата например на методите за извличане на остатъчен нефт от резервоари. водни разтвориПовърхностноактивни вещества, методи за живачна порозиметрия. Капилярната абсорбция на разтвори в порите и изместването на несмесващи се течности от порите, придружени от адсорбция и дифузия на компоненти, се разглеждат от физикохимичната хидродинамика.
В допълнение към описаните равновесни състояния на течност и нейното движение в пори и капиляри, равновесните състояния на много малки обеми течност, по-специално тънки слоеве и филми, също се наричат капилярни явления. Тези капилярни явления често се наричат капилярни явления тип II. Те се характеризират например със зависимостта на повърхностното напрежение на течността от радиуса на капките и с линейното напрежение. Капилярните явления са изследвани за първи път от Леонардо да Винчи (1561 г.), Б. Паскал (17 век) и Ж. Джурин (18 век) в експерименти с капилярни тръби. Теорията на капилярните явления е разработена в трудовете на П. Лаплас (1806), Т. Юнг (1804), А. Ю. Давидов (1851), Дж. У. Гибс (1876), И. С. Громека (1879, 1886). Началото на развитието на теорията за капилярните явления от втория вид е положено от трудовете на Б. В. Дерягин и Л. М. Щербаков.
Промяна на нивото в тръби, тесни канали с произволна форма, порести тела. Покачването на течността възниква, когато каналите се намокрят с течности, например вода в стъклени тръби, пясък, почва и др. Намаляването на течността се случва в тръби и канали, които не се намокрят с течност, например живак в стъклена тръба.
Жизнената дейност на животните и растенията се основава на капилярността. химически технологии, ежедневни явления (например повдигане на керосин по фитила в керосинова лампа, избърсване на ръцете с кърпа). Капилярността на почвата се определя от скоростта, с която водата се издига в почвата и зависи от размера на празнините между почвените частици.
Тънките тръби се наричат капиляри, както и най-тънките съдове в човешкото тяло и други животни (виж Капиляр (биология)).
Вижте също
Литература
- Прохоренко П. П. Ултразвуков капилярен ефект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Е. Коновалов; Ед. В. В. Клубович. 135 стр. Минск: Наука и техника, 1981.
Връзки
- Горин Ю. В. Индекс на физически ефекти и явления за използване при решаване на изобретателски проблеми (инструмент TRIZ) // Глава. 1.2 Повърхностно напрежение на течности. Капилярност.
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е "Capillar (физика)" в други речници:
Думата капилярна се използва за означаване на много тесни тръби, през които може да преминава течност. За повече подробности вижте статията Капилярен ефект. Капиляр (биология) Най-малкият тип кръвоносен съд. Капиляр (физика) Капиляр ... ... Wikipedia
Критерият на Ландау за свръхфлуидност е съотношението между енергиите и моментите на елементарни възбуждания на системата (фонони), което определя възможността тя да бъде в свръхфлуидно състояние. Съдържание 1 Формулиране на критерия 2 Извеждане на критерия ... Wikipedia
Външни сплит системи и кондензатори (вентилаторни охладителни кули) на търговско хладилно оборудване на една стойка Оборудване за климатично и хладилно оборудване, базирано на работата на хладилни машини ... Wikipedia
Промяната в температурата на газа в резултат на бавния му поток под действието на постоянен спад на налягането през дросела е локална пречка за газовия поток (капиляр, клапан или пореста преграда, разположена в тръбата по пътя ... .. .
Това е безцветна прозрачна течност, кипяща при атмосферно налягане при температура 4,2 K (течност 4He). Плътността на течния хелий при температура 4,2 K е 0,13 g/cm³. Има нисък коефициент на пречупване, поради ... ... Wikipedia
Ефект на изтичане, появата на разлика в налягането Δp в свръхфлуидна течност, дължаща се на температурната разлика ΔT (вижте Свръхфлуидност). Т. е. се проявява в течен свръхфлуиден хелий в разликата в нивата на течността в два съда, ... ... Велика съветска енциклопедия
Всеки от нас може лесно да си спомни много вещества, които смята за течности. Не е толкова лесно обаче да се даде точна дефиниция на това агрегатно състояние, тъй като течностите имат такова физични свойстваче в едно отношение те ... ... Енциклопедия на Collier
Капилярност (от лат. capillaris коса), капилярен ефект физическо явление, което се състои в способността на течностите да променят нивото в тръби, тесни канали с произволна форма, порести тела. Покачването на течността възниква в случаи на ... ... Wikipedia
) — сила, дължаща се на капилярни явления. Капилярните явления включват повърхностни явления на границата на течност с друга среда, свързани с нейната кривина.
Описание
Кривината на повърхността на течността на границата с газовата фаза възниква в резултат на действието на повърхностното напрежение на течността, което има тенденция да намали интерфейса и да придаде на ограничен обем течност форма с най-нисък потенциал за повърхностно напрежение сили. Силите на повърхностното напрежение създават допълнително налягане (капилярно налягане) под интерфейса, чиято стойност се определя от формулата на Лаплас:
където е повърхностното напрежение и - средният радиус на кривина на повърхността.
В случай на достатъчно големи маси течност, ефектът на повърхностното напрежение се компенсира от силата на гравитацията, следователно капилярните явления се проявяват предимно, когато течността е в тесни канали (капиляри) и порести среди.
В тесен канал интерфейсът течност-газ приема извита форма (менискус), изпъкнала, ако капилярните стени не са намокрени от течност, и вдлъбната, ако са намокрени. Изпъкналият менискус създава свръхналягане под повърхността си, вдлъбнатият менискус създава отрицателно налягане (вакуум). Последното явление кара течността да тече в капиляри с намокрени стени, включително срещу гравитацията, което играе важна роля в много биологични процеси. Капилярните явления в пореста среда са отговорни за разпространението на подпочвените води, накисването на тъкани и други влакнести материали с течности (ефект на фитила). Когато две грапави намокрени повърхности взаимодействат близо до локални контактни петна, се появяват мениски на течността, което води до появата на капиляр.
Илюстрации
Авторите
- Горячева Ирина Георгиевна
- Шпенев Алексей Генадиевич
Източници
- Капилярно действие // Wikipedia, безплатната енциклопедия. - www.en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action (посетен на 26.07.2010 г.).
- Капилярни явления // Химическа енциклопедия. Т. 2. - М.: Съветска енциклопедия, 1990, с. 310–311.
- Капилярни явления // Голяма съветска енциклопедия. 3-то изд., 1969–1978.
Цели на урока:
- изучаване на най-важните явления и свойства на природата - намокряне, ненамокряне, капилярни явления.
Цели на урока:
Образователни: задълбочаване в явленията на намокряне и ненамокряне, както и капилярността на течност, за да разберете обхвата на тяхното приложение;
Развиващи: да развиват творческото мислене и речта на учениците;
Основни термини:
намокряне- това е повърхностно явление, което се състои във взаимодействието на повърхността на твърдо тяло (друга течност) с течност.
Контактен ъгъл (показва степента на намокряне)- това е ъгълът, образуван от допирателните равнини към междинните повърхности, които ограничават омокрящата течност, докато върхът на ъгъла лежи на линията на разделяне на трите фази.
Видеото показва капилярния поток на течност
Кривината на повърхността води до появата на допълнително капилярно налягане в течността Dp, чиято стойност е свързана със средната кривина r на повърхността чрез уравнението на Лаплас: Dp = p1 – p2 = 2s12/r, където (s12 е повърхностното напрежение на границата на две среди; p1 и p2 са течността 1 и средата 2 в контакт с нея.
Области на използванеНамокрянето може да обясни използването на почистващи препарати, факта защо ръцете, които са в масло или грес, се измиват по-лесно с бензин, отколкото с вода, и защо гъските излизат сухи от водата и т.н. Обяснението за капилярните явления се случва в движението на водата в растения и капиляри. Както и обработката на почвата. Например: запазване на влагата чрез разхлабване и др., разрушаване на капиляри. И също така капилярният феномен може да обясни електрически и ядрени явления, позволява ви да откриете пукнатини с отвор от 1 микрон, които не могат да се видят с просто око.
Изводи.
Живеем в света на най-невероятните природни феномени. Има много от тях. Всеки ден се сблъскваме с тях, без да се замисляме за същината. Но човекът като разумно явление трябва да разбере същността на тези явления. Такива явления като намокряне и ненамокряне, капилярното явление са много разпространени в техниката и природата. Те са незаменими в ежедневието и при решаването на научни и технически проблеми. Това знание ни дава отговори на много въпроси. Например, защо една капка е в свободен полет или защо планетите и звездите имат сферична форма, някои твърди тела са добре намокрени от течност, докато други не. Защо капилярните явления могат да абсорбират хранителни вещества, влага от почвата на корените на растенията или защо кръвообращението в животинските организми се основава на капилярното явление и др.
Контролен блок:
1.Какво е капиляр?
2. Как да разпознаем намокряне и ненамокряне?
3. Дайте пример за намокряне.
4.Какво е капилярен феномен?
5. Дайте пример за ненамокряне.
Домашна работа.
Напредъкът на роботите
1. Поставете капки вода и масло върху стъклени, алуминиеви, медни, парафинови плочи.
2. Начертайте формите на капките.
3. Разгледайте капките и направете изводи за връзката между твърди и течни молекули.
4. Въведете тези резултати в таблица.
5. Към сместа от вода и спарта с шприц добавете малко зехтин.
6. Прекарайте жицата през центъра на маслената топка и я завъртете.
7. Обърнете внимание как се променя формата на капката.
8. Направете изводи за формата на повърхността на течността.
Водният филм, който е на повърхността, е опора за много организми при движение. Наблюдава се при дребни насекоми и паякообразни. Най-известните водни крачки, които почиват на водата само с крайните сегменти на широко разположени крака. Кракът, който е покрит с восъчен налеп, не се намокря от вода. Повърхностният слой вода се огъва под натиска на крака и се образуват малки вдлъбнатини. (Фигура 6) Перата и пухът на водолюбивите птици винаги са обилно намазани с мастни секрети на специални жлези. Това обяснява тяхната непропускливост. Дебелият слой въздух, който се намира между перата на патицата и не се измества от водата оттам, не само предпазва патицата от загуба на топлина, но също така значително увеличава границата на плаваемост.
Видяхме, че повърхността на течност, излята в съд, има известна кривина близо до границата между течността и твърдата стена на съда, т.е. там, където силите на взаимодействие между молекулите на течността и твърдото тяло играят значителна роля роля. В останалата си част повърхността е плоска, тъй като тук силата на гравитацията потиска молекулярните сили на взаимодействие. Въпреки това, ако общата повърхност е малка, например, когато течността е в тесен съд, влиянието на стените се простира върху цялата повърхност на течността и тя се оказва извита по цялата си дължина ( съд може да се счита за тесен, когато размерите му са сравними с радиуса на кривината на повърхността на течността в контакт със стените на съда).
Ако размерите на съда, в който се намира течността, или по-общо, ако разстоянието между повърхностите, които свързват течността, са сравними с радиуса на кривината на повърхността на течността, тогава такива съдове се наричат капилярни (космати). . Явленията, възникващи в такива съдове, се наричат капилярни явления.
Нека да разгледаме някои от най характерни явлениясвързани с капилярите.
Тъй като капилярните съдове се характеризират предимно с кривината на повърхността на течността в тях, естествено е ефектът от допълнителното налягане, причинено от кривината на повърхността (налягане на Лаплас), да е най-силно изразен тук. Непосредствената последица от това допълнително налягане е така нареченото капилярно покачване.
На фиг. 121 показва тясна тръба, спусната в широк съд с течност. Оставете стените на тръбата да се намокрят с течност. Тогава течността, която е проникнала в тръбата, образува вдлъбнат менискус. Нека тръбата е толкова тясна, че нейният радиус да е сравним с радиуса на менискуса.
Поради налягането, причинено от кривината на повърхността, течността, изпълваща тръбата, изпитва налягане, насочено към центъра на кривината на менискуса, т.е. нагоре, и равно на това, където радиусът на менискуса и a е коефициентът на повърхностно напрежение от течността. Под действието на това налягане течността се издига през тръбата до ниво, при което хидростатичното налягане на течния стълб с височина балансира налягането. Следователно условието за равновесие ще бъде равенството
където е плътността на течността, гравитационното ускорение. Това равенство определя височината на издигане на течността в капиляра.
Не е трудно да се установи връзка между височината на издигането и радиуса на тръбата. Нека се обърнем към фиг. 122, на която менискусът и капилярът са показани в голям мащаб. Центърът на сферата, част от която е менискусът, се намира в точка О. Контактният ъгъл на течността в контакт със стените на капиляра е 0: Пряко от чертежа следва, че Следователно равенството ще бъде пренаписан във формата: , откъдето
По-специално, за течност, която напълно намокря стените на капиляра и за която следователно имаме:
Както се очаква, височината на издигане на течността в капиляра (капилярно издигане) се увеличава с намаляване на радиуса на капиляра и с увеличаване на коефициента на повърхностно напрежение на течността.
Ако течността не намокри капиляра, картината ще бъде обърната, тъй като менискусът вече е изпъкнал и центърът на кривината не е извън, а вътре в течността и налягането на Лаплас ще бъде насочено надолу. Нивото на течността в капиляра сега ще бъде по-ниско от нивото в съда, в който е спуснат капилярът (отрицателно капилярно покачване).
Разликата в нивата в този случай се определя от уравнение (101.1) или (101.2).
Капилярното издигане обяснява редица добре известни явления: абсорбцията на течност от филтърна хартия, която е направена така, че да има тесни извити пори; пренасянето на керосин по фитила, чиито влакна също са тънки капиляри и др. Капилярните сили също осигуряват издигането на вода от почвата по стволовете на дърветата: дървесните влакна играят ролята на много тънки капиляри.
Капилярното покачване, разбира се, може да се наблюдава не само в цилиндричните капиляри. Течността се издига нагоре и между две плочи, разделени от тясна междина (фиг. 123). Ако плочите са успоредни една на друга, тогава менискусът има цилиндрична форма. Височината на капилярното издигане в този случай се определя по формулата
къде е разстоянието между плочите. Формула (101.3) се получава точно по същия начин като (101.1). Необходимо е само да се вземе предвид, че под цилиндрична повърхност течността изпитва налягане, равно на радиуса на менискуса (виж фиг. 123), свързан с разстоянието между плочите чрез очевидната връзка:
Формула (101.3) е илюстрирана със следния прост демонстрационен експеримент (фиг. 124). Две внимателно измити стъклени плочи се поставят под ъгъл една спрямо друга, така че да се образува клин, и се поставят във вода. Вода намокряне чисто стъкло се издига, но височината на покачване, в съответствие с формулата
(101.3) ще намалее с увеличаване на разстоянието между плочите. Това разстояние се увеличава с увеличаване на разстоянието x от ръба на клина. Ако - ъгълът между плочите, тогава разстоянието между тях Следователно височината на нивото на течността се променя с x по формулата
където е постоянна характеристика на дадена двойка " твърдо- течност" и зададен ъгъл на клина. Уравнение (101.4) е уравнение на хипербола. Именно тази форма, както е известно, има линията на пресичане на повърхността на течността и плочите.
Фактът, че в самата основа на клина нивото на течността не достига много високо, се дължи на факта, че е невъзможно плочите да се свържат доста плътно. Между тях винаги има малка междина, чиято ширина определя височината на нивото в основата на клина, където
