Kapilarni fenomeni, površinske pojave na granici tekućine s drugim medijem, povezane s zakrivljenošću njezine površine. Zakrivljenost površine tekućine na granici s plinovita faza nastaje kao rezultat djelovanja površinske napetosti tekućine, koja nastoji smanjiti međupovršinu i dati ograničenom volumenu tekućine oblik lopte. Budući da kugla ima minimalnu površinu za određeni volumen, ovaj oblik odgovara minimalnoj površinskoj energiji tekućine, tj. njegovo stabilno ravnotežno stanje. Kod dovoljno velikih masa tekućine djelovanje površinske napetosti kompenzira se gravitacijom, pa tekućina niske viskoznosti brzo poprima oblik posude u koju se ulijeva, a slobodna je. površina izgleda gotovo ravna.
U nedostatku gravitacije ili u slučaju vrlo malih masa, tekućina uvijek poprima sferni oblik (kapljica), čija zakrivljenost površine određuje mnogo toga. svojstva tvari. Stoga su kapilarni fenomeni izraženi i igraju se bitnu ulogu u uvjetima bestežinskog stanja, tijekom drobljenja tekućine u plinovitom mediju (ili atomizacije plina u tekućini) i stvaranja sustava koji se sastoje od mnogo kapljica ili mjehurića (emulzije, aerosoli, pjene), tijekom nastanka novih faza kapljica tekućine tijekom kondenzacije pare, mjehurići pare tijekom vrenja, jezgre kristalizacije. Kada tekućina dođe u kontakt sa kondenziranim tijelima (drugom tekućinom ili čvrstim tijelom), zakrivljenost sučelja nastaje kao rezultat djelovanja međupovršinske napetosti.
U slučaju vlaženja, na primjer, kada tekućina dođe u dodir s čvrstom stijenkom posude, privlačne sile koje djeluju između molekula krutine i tekućine uzrokuju njezino podizanje duž stijenke posude, uslijed čega dio površine tekućine uz stijenku poprima konkavan oblik. U uskim kanalima, na primjer, cilindričnim kapilarama, formira se konkavni meniskus - potpuno zakrivljena površina tekućine (slika 1).
Riža. 1. Kapilarna elevacija h tekućina koja vlaži stijenke kapilare polumjera r; q - kontaktni kut vlaženja.
kapilarni tlak.
Budući da su sile površinske (međufazne) napetosti usmjerene tangencijalno na površinu tekućine, zakrivljenost potonje dovodi do pojave komponente usmjerene unutar volumena tekućine. Kao rezultat toga nastaje kapilarni tlak čija je vrijednost Dp povezana s prosječnim polumjerom zakrivljenosti površine r 0 Laplaceovom jednadžbom:
Dp = p 1 - p 2 \u003d 2s 12 / r 0, (1)
gdje su p 1 i p 2 - tlak u tekućini 1 i susjednoj fazi 2 (plin ili tekućina), s 12 - površinska (međufazna) napetost.
Ako je površina tekućine konkavna (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) predznak Dp je obrnut. Negativni kapilarni tlak koji nastaje kada se stijenke kapilare nakvase tekućinom dovodi do toga da će tekućina biti usisana u kapilaru sve dok težina stupca tekućine ne dostigne visinu h neće uravnotežiti pad tlaka Dp. U stanju ravnoteže visina kapilarnog dizanja određena je Jurinovom formulom:
gdje su r 1 i r 2 gustoće tekućine 1 i medija 2, g je ubrzanje gravitacije, r je polumjer kapilare, q je kut vlaženja. Za tekućine koje ne vlaže stijenke kapilara, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
Iz izraza (2) slijedi definicija kapilarne konstante tekućine A= 1/2. Ima dimenziju duljine i karakterizira linearnu veličinu Z[A, pri čemu kapilarni fenomeni postaju značajni Dakle, za vodu na 20 °C a = 0,38 cm. U slaboj gravitaciji (g: 0), vrijednost A povećava se. U području kontakta čestica kapilarna kondenzacija dovodi do kontrakcije čestica pod djelovanjem smanjenog tlaka Dp< 0.
Kelvinova jednadžba.
Zakrivljenost površine tekućine dovodi do promjene ravnotežnog tlaka pare iznad nje R u usporedbi s pritiskom zasićena para p.s iznad ravna površina na istoj temperaturi T. Ove promjene su opisane Kelvinovom jednadžbom:
gdje je molarni volumen tekućine, R je plinska konstanta. Smanjenje ili povećanje tlaka pare ovisi o predznaku zakrivljenosti površine: nad konveksnim površinama (r 0 > 0) p > p s ; preko konkavnog (r 0< 0) R< р s . . Dakle, iznad kapi, tlak pare je povećan; u mjehurićima, naprotiv, snižava se.
Na temelju Kelvinove jednadžbe izračunava se ispunjenost kapilara ili poroznih tijela na kapilarna kondenzacija. Budući da vrijednosti R različite za čestice različitih veličina ili za površine s udubljenjima i izbočinama, jednadžba (3) također određuje smjer prijenosa tvari u procesu prijelaza sustava u ravnotežno stanje. To posebice dovodi do toga da relativno velike kapi ili čestice rastu zbog isparavanja (otapanja) manjih, a površinske neravnine nekristalnih tijela se izravnavaju zbog otapanja izbočina i zacjeljivanja udubljenja. Primjetne razlike u tlaku pare i topljivosti pojavljuju se samo pri dovoljno malim r 0 (za vodu, na primjer, pri r 0. Stoga se Kelvinova jednadžba često koristi za karakterizaciju stanja koloidni sustavi te porozna tijela i procese u njima.
Riža. 2. Istiskivanje tekućine po duljini l u kapilari polumjera r; q - kontaktni kut.
kapilarna impregnacija.
Smanjenje tlaka ispod konkavnih meniskusa jedan je od razloga kapilarnog kretanja tekućine prema meniskusima manjeg polumjera zakrivljenosti. Poseban slučaj toga je impregnacija poroznih tijela - spontano upijanje tekućina u liofilne pore i kapilare (slika 2). Ubrzati v kretanje meniskusa u vodoravno smještenoj kapilari (ili u vrlo tankoj okomitoj kapilari, kada je utjecaj gravitacije mali) određeno je Poiseuilleovom jednadžbom:
Gdje l je duljina presjeka apsorbirane tekućine, h je njegova viskoznost, Dp je pad tlaka u presjeku l, jednak kapilarnom tlaku meniska: Dp = - 2s 12 cos q/r. Ako kontaktni kut q ne ovisi o brzini v, moguće je izračunati količinu apsorbirane tekućine tijekom vremena t iz omjera:
l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Ako je q funkcija v, To l I v povezana sa složenijim odnosima.
Jednadžbe (4) i (5) koriste se za izračun stope impregnacije pri tretiranju drva antisepticima, bojanju tkanina, primjeni katalizatora na porozne nosače, luženju i difuzijskoj ekstrakciji vrijednih komponenti stijena, itd. Da bi se ubrzala impregnacija, često se koriste površinski aktivne tvari koji poboljšavaju vlaženje smanjenjem kontaktnog kuta q. Jedna od mogućnosti kapilarne impregnacije je istiskivanje jedne tekućine iz poroznog medija drugom, koja se ne miješa s prvom i bolje navlaži površinu pora. To je osnova, primjerice, metoda za vađenje zaostale nafte iz ležišta. vodene otopine Surfaktanti, metode živine porozimetrije. Kapilarna apsorpcija otopina u pore i istiskivanje tekućina koje se ne miješaju iz pora, praćeno adsorpcijom i difuzijom komponenata, razmatra se fizikalno-kemijskom hidrodinamikom.
Uz opisana stanja ravnoteže tekućine i njezino kretanje u porama i kapilarama, stanja ravnoteže vrlo malih volumena tekućine, posebice tankih slojeva i filmova, također se nazivaju kapilarnim fenomenima. Ovi kapilarni fenomeni često se nazivaju kapilarni fenomeni tipa II. Karakteriziraju ih, na primjer, ovisnost površinske napetosti tekućine o polumjeru kapi i linearna napetost. Kapilarne pojave prvi su proučavali Leonardo da Vinci (1561.), B. Pascal (17. st.) i J. Jurin (18. st.) u pokusima s kapilarnim cijevima. Teorija kapilarnih pojava razvijena je u djelima P. Laplacea (1806.), T. Junga (1804.), A. Yu.Davydova (1851.), J. W. Gibbsa (1876.), I. S. Gromeka (1879., 1886.). Početak razvoja teorije kapilarnih pojava druge vrste položili su radovi B. V. Deryagina i L. M. Shcherbakova.
Promjena razine u cijevima, uskim kanalima proizvoljnog oblika, poroznim tijelima. Do porasta tekućine dolazi kada su kanali namočeni tekućinom, na primjer, vodom u staklenim cijevima, pijeskom, zemljom itd. Smanjenje tekućine događa se u cijevima i kanalima koji nisu namočeni tekućinom, na primjer, živa u staklena cijev.
Vitalna aktivnost životinja i biljaka temelji se na kapilarnosti. kemijske tehnologije, svakodnevne pojave (na primjer, dizanje kerozina duž fitilja u petrolejskoj lampi, brisanje ruku ručnikom). Kapilarnost tla određena je brzinom dizanja vode u tlu i ovisi o veličini razmaka između čestica tla.
Tanke cjevčice nazivaju se kapilare, kao i najtanje žile u tijelu čovjeka i drugih životinja (vidi Kapilare (biologija)).
vidi također
Književnost
- Prokhorenko P. P. Ultrazvučni kapilarni učinak / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunov, G. E. Konovalov; ur. V. V. Klubovich. 135 str. Minsk: Znanost i tehnologija, 1981.
Linkovi
- Gorin Yu. V. Indeks fizičkih učinaka i pojava za korištenje u rješavanju inventivnih problema (TRIZ alat) // Poglavlje. 1.2 Površinska napetost tekućina. Kapilarnost.
Zaklada Wikimedia. 2010. godine.
Pogledajte što je "Capillar (fizika)" u drugim rječnicima:
Riječ kapilara se koristi za označavanje vrlo uskih cijevi kroz koje tekućina može proći. Za više detalja pogledajte članak Kapilarni efekt. Kapilara (biologija) Najmanja vrsta krvne žile. Kapilara (fizika) Kapilara ... ... Wikipedia
Landauov kriterij superfluidnosti je omjer između energija i momenta elementarnih pobuđenja sustava (fonona), koji određuje mogućnost njegovog postojanja u superfluidnom stanju. Sadržaj 1. Formulacija kriterija 2. Izvođenje kriterija ... Wikipedia
Razdvojeni sustavi vanjske jedinice i kondenzatori (ventilatorski rashladni tornjevi) komercijalne rashladne opreme na jednom nosaču Oprema za klimu i rashladnu opremu koja se temelji na radu rashladnih strojeva ... Wikipedia
Promjena temperature plina kao rezultat njegovog sporog protoka pod djelovanjem stalnog pada tlaka kroz prigušnicu lokalna je prepreka protoku plina (kapilara, ventil ili porozna pregrada koja se nalazi u cijevi na putu ... .. .
To je bezbojna prozirna tekućina koja vrije pri atmosferskom tlaku na temperaturi od 4,2 K (tekućina 4He). Gustoća tekućeg helija na temperaturi od 4,2 K je 0,13 g/cm³. Ima nizak indeks loma, zbog ... ... Wikipedije
Spouting effect, pojava razlike tlaka Δp u superfluidnoj tekućini, zbog temperaturne razlike ΔT (vidi Superfluidnost). T. e. očituje se u tekućem superfluidnom heliju u razlici u razinama tekućine u dvije posude, ... ... Velika sovjetska enciklopedija
Svatko od nas može se lako prisjetiti mnogih tvari koje smatra tekućinama. Međutim, nije tako jednostavno dati točnu definiciju ovog agregatnog stanja, budući da ga tekućine imaju fizička svojstva da u jednom pogledu oni ... ... Collier Encyclopedia
Kapilarnost (od lat. capillaris kosa), kapilarni učinak fizički fenomen, koji se sastoji u sposobnosti tekućina da mijenjaju razinu u cijevima, uskim kanalima proizvoljnog oblika, poroznim tijelima. Do porasta tekućine dolazi u slučajevima ... ... Wikipedia
) — sila zbog kapilarnih pojava. Kapilarni fenomeni uključuju površinske fenomene na granici tekućine s drugim medijem, povezane s njegovom zakrivljenošću.
Opis
Zakrivljenost površine tekućine na granici s plinovitom fazom nastaje kao rezultat djelovanja površinske napetosti tekućine, koja nastoji smanjiti sučelje i dati ograničenom volumenu tekućine oblik s najmanjim potencijalom površinske napetosti. snage. Sile površinske napetosti stvaraju dodatni tlak (kapilarni tlak) ispod sučelja čija se vrijednost određuje Laplaceovom formulom:
gdje je površinska napetost, i - prosječni radijus zakrivljenosti površine.
U slučaju dovoljno velikih masa tekućine, učinak površinske napetosti kompenzira se silom gravitacije, stoga se kapilarni fenomeni manifestiraju prvenstveno kada se tekućina nalazi u uskim kanalima (kapilarima) i poroznim medijima.
U uskom kanalu, sučelje tekućina-plin poprima zakrivljeni oblik (menisk), konveksan ako stijenke kapilare nisu ovlažene tekućinom, i konkavne ako se kvase. Konveksni menisk stvara višak tlaka ispod svoje površine, konkavni meniskus stvara podtlak (vakuum). Potonji fenomen uzrokuje protok tekućine u kapilare s mokrim stijenkama, uključujući i suprotno gravitaciji, što igra važnu ulogu u mnogim biološkim procesima. Kapilarni fenomeni u poroznim medijima odgovorni su za širenje podzemne vode, natapanje tkiva i drugih vlaknastih materijala tekućinama (efekt fitilja). Kada dvije hrapave navlažene površine međusobno djeluju u blizini lokalnih kontaktnih točaka, pojavljuju se menisci tekućine, što dovodi do pojave kapilara.
Ilustracije
Autori
- Gorjačeva Irina Georgijevna
- Shpenev Alexey Gennadievich
Izvori
- Kapilarna akcija // Wikipedia, besplatna enciklopedija. - www.en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action (posjećeno 26.07.2010.).
- Kapilarni fenomeni // Kemijska enciklopedija. T. 2. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1990., str. 310–311.
- Kapilarni fenomen // Velika sovjetska enciklopedija. 3. izd. 1969–1978.
Ciljevi lekcije:
- proučavanje najvažnijih pojava i svojstava prirode - vlaženje, nekvašenje, kapilarne pojave.
Ciljevi lekcije:
Obrazovni: produbljivanje fenomena vlaženja i nekvašenja, kao i kapilarnosti tekućine, kako bi se saznalo područje njihove primjene;
Razvijanje: razvijati kreativno mišljenje i govor učenika;
Osnovni pojmovi:
vlaženje- ovo je površinski fenomen, koji se sastoji u interakciji površine čvrstog tijela (druge tekućine) s tekućinom.
Kontaktni kut (pokazuje stupanj vlaženja)- ovo je kut koji čine tangentne ravnine na međufazne površine koje ograničavaju tekućinu za vlaženje, dok vrh kuta leži na liniji razdvajanja triju faza.
Video prikazuje kapilarno strujanje tekućine
Zakrivljenost površine dovodi do pojave dodatnog kapilarnog tlaka u tekućini Dp, čija je vrijednost povezana s prosječnom zakrivljenošću površine r Laplaceovom jednadžbom: Dp = p1 – p2 = 2s12/r, gdje je (s12 je površinska napetost na granici dva medija; p1 i p2 su tlak u tekućini 1 i mediju 2 koji su s njom u kontaktu.
Područja upotrebe Vlaženje može objasniti korištenje deterdženata, činjenicu zašto je ruke u ulju ili masti lakše oprati benzinom nego vodom, zašto guske izlaze suhe iz vode itd. Objašnjenje kapilarnih pojava događa se u kretanju vode u biljke i kapilare. Kao i obrada tla. Na primjer: očuvanje vlage labavljenjem itd., uništavanje kapilara. Također, kapilarni fenomen može objasniti električne i nuklearne fenomene, omogućuje otkrivanje pukotina s otvorom od 1 mikrona koje se ne mogu vidjeti golim okom.
Zaključci.
Živimo u svijetu najčudesnijih prirodnih fenomena. Ima ih jako puno. S njima se svakodnevno suočavamo ne razmišljajući o suštini. Ali čovjek kao razumna pojava mora shvatiti bit tih pojava. Takvi fenomeni kao što su vlaženje i nekvašenje, kapilarni fenomen vrlo su rašireni u tehnici i prirodi. Nezamjenjivi su u svakodnevnom životu i rješavanju znanstvenih i tehničkih problema. Ovo saznanje daje nam odgovore na mnoga pitanja. Na primjer, zašto je kap u slobodnom letu ili zašto planeti i zvijezde imaju sferni oblik, neka su čvrsta tijela dobro namočena tekućinom, a druga nisu. Zašto kapilarni fenomeni mogu apsorbirati hranjive tvari, vlagu iz tla korijena biljaka ili zašto se krvotok u životinjskim organizmima temelji na kapilarnom fenomenu itd.
Kontrolni blok:
1.Što je kapilara?
2. Kako prepoznati vlaženje i nekvašenje?
3. Navedite primjer vlaženja.
4.Što je kapilarni fenomen?
5. Navedite primjer nekvašenja.
Domaća zadaća.
Napredak robota
1. Stavite kapljice vode i ulja na staklene, aluminijske, bakrene, parafinske ploče.
2. Nacrtajte oblike kapi.
3. Razmotrite kapi i zaključite o odnosu između molekula krutina i tekućina.
4. Unesite ove rezultate u tablicu.
5. U smjesu vode i šprice špricom dodati malo maslinovog ulja.
6. Provucite žicu kroz središte uljne kuglice i zakrenite je.
7. Obratite pažnju na to kako se mijenja oblik kapi.
8. Zaključite o obliku površine tekućine.
Film vode, koji se nalazi na površini, oslonac je mnogim organizmima pri kretanju. Opaža se kod malih insekata i paučnjaka. Najpoznatiji vodeni strideri, koji se oslanjaju na vodu samo krajnjim segmentima široko razmaknutih nogu. Noga, koja je prekrivena voštanim premazom, nije kvašena vodom. Površinski sloj vode se pod pritiskom stopala savija i nastaju mala udubljenja. (Slika 6) Perje i paperje vodenih ptica uvijek je bogato namazano masnim izlučevinama posebnih žlijezda. To objašnjava njihovu nepropusnost. Debeli sloj zraka, koji se nalazi između perja patke i koji se odatle ne istiskuje vodom, ne samo da štiti patku od gubitka topline, već i znatno povećava marginu uzgona.
Vidjeli smo da površina tekućine ulivene u posudu ima određenu zakrivljenost u blizini granice između tekućine i čvrste stijenke posude, tj. gdje sile interakcije između molekula tekućine i čvrstog tijela igraju značajnu ulogu. uloga. U ostalom dijelu površina je ravna, jer ovdje sila gravitacije potiskuje molekularne sile interakcije. Međutim, ako je ukupna površina mala, na primjer, kada je tekućina u uskoj posudi, utjecaj stijenki proteže se na cijelu površinu tekućine, a ispada da je zakrivljena cijelom svojom duljinom (posuda može smatrati uskim kada su njegove dimenzije usporedive s polumjerom zakrivljenosti površine tekućine u dodiru sa stijenkama posude).
Ako su dimenzije posude u kojoj se nalazi tekućina, ili, općenito, ako je udaljenost između površina koje vežu tekućinu, usporedive s polumjerom zakrivljenosti površine tekućine, tada se takve posude nazivaju kapilarne (dlakave). . Fenomeni koji se događaju u takvim žilama nazivaju se kapilarni fenomeni.
Pogledajmo neke od većine karakteristične pojave povezana s kapilarnošću.
Budući da kapilarne žile prvenstveno karakterizira zakrivljenost površine tekućine u njima, prirodno je da je djelovanje dodatnog tlaka izazvanog zakrivljenošću površine (Laplaceov tlak) ovdje najizraženije. Neposredna posljedica ovog dodatnog pritiska je tzv. kapilarno podizanje.
Na sl. 121 prikazuje usku cijev spuštenu u široku posudu s tekućinom. Neka se stijenke cijevi nakvase tekućinom. Tada tekućina koja je prodrla u cijev formira konkavni meniskus. Neka cijev bude toliko uska da joj je polumjer usporediv s polumjerom meniskusa.
Zbog pritiska izazvanog zakrivljenošću površine, tekućina koja ispunjava cijev doživljava pritisak usmjeren prema središtu zakrivljenosti meniska, tj. prema gore, a jednak je polumjeru meniska i a koeficijentu površinske napetosti. tekućine. Pod djelovanjem tog tlaka tekućina se diže kroz cijev do razine na kojoj hidrostatski tlak stupca tekućine s visinom uravnotežuje tlak. Uvjet ravnoteže bit će stoga jednakost
gdje je gustoća tekućine, ubrzanje gravitacije. Ova jednakost određuje visinu uspona tekućine u kapilari.
Nije teško uspostaviti odnos između visine uspona i polumjera cijevi. Pogledajmo sl. 122, na kojoj su meniskus i kapilar prikazani u velikom mjerilu. Središte sfere, čiji je meniskus dio, nalazi se u točki O. Kontaktni kut tekućine u dodiru sa stijenkama kapilare je 0: Iz crteža izravno proizlazi da će se dakle jednakost prepisati. u obliku: , odakle
Konkretno, za tekućinu koja potpuno kvasi stijenke kapilare i za koju, prema tome, imamo:
Očekivano, visina uzdizanja tekućine u kapilari (kapilarni uspon) raste sa smanjenjem polumjera kapilare i povećanjem koeficijenta površinske napetosti tekućine.
Ako tekućina ne smoči kapilaru, slika će biti obrnuta, jer je menisk sada konveksan, a središte zakrivljenosti nije izvan, već unutar tekućine, a Laplaceov pritisak će biti usmjeren prema dolje. Razina tekućine u kapilari sada će biti niža od razine u posudi u koju se kapilara spušta (negativni kapilarni porast).
Razlika razina u ovom slučaju određena je jednadžbom (101.1) ili (101.2).
Podizanje kapilara objašnjava niz dobro poznatih pojava: upijanje tekućine filter papirom koji je napravljen tako da ima uske vijugave pore; prijenos petroleja duž fitilja čija su vlakna također tanke kapilare itd. Kapilarne sile također osiguravaju dizanje vode iz tla uz debla drveća: drvena vlakna imaju ulogu vrlo tankih kapilara.
Kapilarni porast može se, naravno, uočiti ne samo u cilindričnim kapilarama. Tekućina se diže prema gore i između dvije ploče odvojene uskim otvorom (Sl. 123). Ako su ploče paralelne jedna s drugom, tada meniskus ima cilindričan oblik. Visina kapilarnog uspona u ovom slučaju određena je formulom
gdje je udaljenost između ploča. Formula (101.3) se dobiva na potpuno isti način kao (101.1). Potrebno je samo uzeti u obzir da ispod cilindrične površine tekućina doživljava pritisak jednak polumjeru meniskusa (vidi sliku 123), povezanom s razmakom između ploča očitim odnosom:
Formula (101.3) ilustrirana je sljedećim jednostavnim demonstracijskim pokusom (slika 124). Dvije pažljivo oprane staklene ploče postave se jedna prema drugoj pod kutom tako da se oblikuje klin i stave u vodu. Voda vlaženje čistog stakla se diže, ali visina porasta, u skladu s formulom
(101.3) smanjivat će se s povećanjem udaljenosti između ploča. Ta se udaljenost povećava s povećanjem udaljenosti x od ruba klina. Ako je - kut između ploča, tada je udaljenost između njih. Stoga se visina razine tekućine mijenja s x prema formuli
gdje je konstantna karakteristika zadanog para " čvrsta- tekućina" i zadani kut klina. Jednadžba (101.4) je jednadžba hiperbole. Upravo taj oblik, kao što je poznato, ima linija sjecišta površine tekućine i ploča.
Činjenica da na samom dnu klina razina tekućine ne ide jako visoko je zbog činjenice da je nemoguće čvrsto spojiti ploče. Između njih uvijek postoji mali razmak, čija širina određuje visinu razine u podnožju klina, gdje
