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.
Изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п. Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.
На основе капилярности основана жизнедеятельность животных и растений, химические технологии, бытовые явления (например, подъём керосина по фитилю в керосиновой лампе, вытирание рук полотенцем). Капиллярность почвы определяется скоростью, с которой вода поднимается в почве и зависит от размера промежутков между почвенными частицами.
Капиллярами назваются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных (см. Капилляр (биология)).
См. также
Литература
- Прохоренко П. П. Ультразвуковой капиллярный эффект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Е. Коновалов; Под ред. В. В. Клубовича. 135 с. Минск: «Наука и техника», 1981.
Ссылки
- Горин Ю. В. Указатель физических эффектов и явлений для использования при решении изобретательских задач (ТРИЗ-инструмент) // Глава. 1.2 Поверхностное натяжение жидкостей. Капиллярность.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Капилляр (физика)" в других словарях:
Слово капилляр применяется для обозначения очень узких трубок, через которые может проходить жидкость. Подробнее смотри в статье Капиллярный эффект. Капилляр (биология) самый мелкий вид кровеносных сосудов. Капилляр (физика) Капиллярный… … Википедия
Критерий Ландау сверхтекучести соотношение между энергиями и импульсами элементарных возбуждений системы (фононов), обуславливающее возможность её нахождения в сверхтекучем состоянии. Содержание 1 Формулировка критерия 2 Вывод критерия … Википедия
Внешний блок сплит системы и конденсаторы (вентиляторные градирни) торгового холодильного оборудования на одной стойке Климатическое и холодильное оборудование оборудование, основанное на работе холодильных маши … Википедия
Изменение температуры газа в результате медленного протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути… …
Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при атмосферном давлении при температуре 4,2 К (жидкий 4He). Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым коэффициентом преломления, из за… … Википедия
Эффект фонтанирования, появление в сверхтекучей жидкости разности давлений Δр, обусловленной разностью температур ΔТ (см. Сверхтекучесть). Т. э. проявляется в жидком сверхтекучем гелии в различии уровней жидкости в двух сосудах,… … Большая советская энциклопедия
Каждый из нас без труда припомнит немало веществ, которые он считает жидкостями. Однако дать точное определение этого состояния вещества не так то просто, поскольку жидкости обладают такими физическими свойствами, что в одних отношениях они… … Энциклопедия Кольера
Капиллярность (от лат. capillaris волосяной), капиллярный эффект физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах. Поднятие жидкости происходит в случаях… … Википедия
) — 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
- Capillary action // Wikipedia, the free Encyclopedia. -www.en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action (дата обращения: 26.07.2010).
- Капиллярные явления // Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская энциклопедия, 1990. С. 310–311.
- Капиллярные явления // Большая Советская энциклопедия. 3-е изд., 1969–1978.
Цели урока:
- изучение важнейших явлений и свойств природы – смачивания, не смачивания, капиллярных явлений.
Задачи урока:
Обучающие: углубление в явления смачивания и не смачивания а так же капиллярность жидкости, узнать сферу их применения;
Развивающие: развить у учащихся творческого мышления и речи;
Основные термины:
Смачивание – это поверхностное явление, которое заключается в взаимодействии поверхности твёрдого тела (другой жидкости) с жидкостью.
Угол смачивания (показывает степень смачивания) – это угол, который образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, которые ограничивают смачивающую жидкость, при этом всём вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз.
На видео представлено капиллярное течение жидкости
Искривление поверхности приводит к появлению дополнительного капиллярного давления в жидкости Dp, величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа: Dp = p1 – p2 = 2s12/r, где (s12 – поверхностное натяжение на границе двух сред; p1 и p2 – давление в жидкости 1 и контактирующей с ней среде 2.
Области применения Смачивание может объяснить применение моющих средств, тот факт, почему руки, которые в масле или смазке легче смыть бензином, чем водой, а так же почему гуси выходят сухими их воды и др. Объяснение капиллярных явлений происходит в движении воды в растениях и капиллярах. А так же при обработке почвы. Например: сохранение влаги рыхлением и др., разрушая капилляры. А так же капиллярное явление может объяснить электрические и ядерные явления, позволяет выявлять трещины с раскрытием от 1 мкм, которые невозможно увидеть невооруженным глазом.
Выводы.
Мы живём в мире самых удивительных явлений природы. Их очень много. Мы сталкиваемся с ними каждый день, не задумываясь о сущности. Но человек как разумный феномен должен понимать суть этих явлений. Такие явления как смачивание и не смачивание, капиллярное явление очень широко распространены в технике и природе. Они незаменимы в повседневной жизни и в решении научно-технических задач. Эти знания дают нам ответы на многие вопросы. Например, почему капля является в свободном полете или почему планеты и звёзды имеют шарообразную форму, одни твёрдые тела хорошо смачиваются жидкостью, а другие нет. Почему капиллярные явления могут всасывать питательные элементы, влагу из почвы корней растений, или почему кровообращение в животных организмах основано на капиллярном явлении и т. д.
Контролирующий блок:
1.Что такое капилляр?
2.Как распознать смачивание и не смачивание?
3.Приведите пример смачивания.
4.Что такое капиллярное явление?
5.Приведите пример не смачивания.
Домашнее задание.
Ход роботы
1.Поместите капли воды и масла на стеклянную, алюминиевую, медную, парафиновую пластины.
2.Зарисуйте формы капель.
3.Рассмотрите капли и сделайте выводы о взаимосвязи молекул твёрдого тела и жидкости.
4.Эти результаты заносите в таблицу.
5.Добавьте с помощью шприца в смесь воды и спарта немного оливкого масла.
6.Пропустите через центр масляного шара проволоку и вращайте её.
7.Обратите внимание как изменяется форма капли.
8.Сделайте выводы о форме поверхности жидкости.
Плёнка воды, которая находится на поверхности, является для многих организмов при движении, опорой. Она наблюдается у мелких насекомых и паукообразных. Самые известные нам водомерки, которые опираются на воду только конечными члениками широко расставленных лапок. Лапка которая покрыта воскообразным налётом, не смачивается водой. Поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, и образовывают небольшие углубления. (рисунок 6) Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желёз. Это объясняет их непромокаемость. Толстый слой воздуха, который находится между перьями утки и не вытесняемый оттуда водой, не только защищает утку от потери тепла, но и чрезвычайно увеличивает запас плавучести.
Мы видели, что поверхность жидкости, налитой в сосуд, имеет некоторую кривизну вблизи границы между жидкостью и твердой стенкой сосуда, т. е. там, где заметную роль играют силы взаимодействия между молекулами жидкости, и твердого тела. В остальной своей части поверхность плоская, так как сила тяжести здесь подавляет молекулярные силы взаимодействия. Однако, если общая величина поверхности невелика, например в случае, когда жидкость находится в узком сосуде, влияние стенок простирается на всю поверхность жидкости, и она оказывается искривленной на всем своем протяжении (сосуд может считаться узким, когда его размеры сравнимы с радиусом кривизны поверхности жидкости, соприкасающейся со стенками сосуда).
Если размеры сосуда, в котором находится жидкость, или, в более общем случае, если расстояние между поверхностями, ограничивающими жидкость, сравнимы с радиусом кривизны поверхности жидкости, то такие сосуды называются капиллярными (волосными). Явления, происходящие в таких сосудах, называются капиллярными явлениями.
Рассмотрим некоторые, наиболее характерные явления, связанные с капиллярностью.
Так как для капиллярных сосудов характерна, прежде всего, кривизна поверхности жидкости в них, то естественно, что здесь больше всего сказывается влияние дополнительного давления, вызванного кривизной поверхности (давление Лапласа). Непосредственным следствием этого дополнительного давления является так называемый капиллярный подъем.
На рис. 121 изображена узкая трубка, опущенная в широкий сосуд с жидкостью. Пусть стенки трубки смачиваются жидкостью. Тогда жидкость, проникшая в трубку, образует вогнутый мениск. Пусть трубка настолько узка, что ее радиус сравним с радиусом мениска.
Вследствие давления, вызванного кривизной поверхности, жидкость, заполняющая трубку, испытывает давление направленное к центру кривизны мениска, т. е. вверх, и равное где радиус мениска и а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Под действием этого давления жидкость поднимается по трубке до уровня при котором гидростатическое давление столба жидкости высотой уравновешивает давление Условием равновесия будет, следовательно, равенство
где плотность жидкости, ускорение силы тяжести. Это равенство определяет высоту подъема жидкости в капилляре.
Нетрудно установить связь между высотой подъема и радиусом трубки Обратимся для этого к рис. 122, на котором мениск и капилляр изображены в крупном масштабе. Центр сферы, частью которой является мениск, находится в точке О. Краевой угол жидкости, соприкасающейся со стенками капилляра, равен 0: Из чертежа непосредственно следует, что Поэтому равенство перепишется в виде: , откуда
В частности, для жидкости, которая полностью смачивает стенки капилляра и для которой, следовательно, имеем:
Как и следовало ожидать, высота подъема жидкости в капилляре (капиллярный подъем) растет с уменьшением радиуса капилляра и с увеличением коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Если жидкость не смачивает капилляра, картина будет обратной, так как мениск теперь выпуклый, а центр кривизны находится не вне, а внутри жидкости, и давление Лапласа окажется направленным вниз. Уровень жидкости в капилляре будет теперь ниже уровня в сосуде, в который опущен капилляр (отрицательный капиллярный подъем).
Разность уровней этом случае определяется уравнением (101.1) или (101.2).
Капиллярным подъемом объясняется ряд широко известных явлений: впитывание жидкости фильтровальной бумагой, изготовляемой так, чтобы в ней были узкие извилистые поры; перенос керосина вдоль фитиля, волокна которого также являются тонкими капиллярами, и т. п. Капиллярные силы обеспечивают и подъем воды из почвы по стволам деревьев: волокна древесины играют роль очень тонких капилляров.
Капиллярный подъем может, конечно, наблюдаться не только в цилиндрических капиллярах. Жидкость поднимается вверх и между двумя пластинками, разделенными узким зазором (рис. 123). Если пластины параллельна друг другу, то менискимеет цилиндрическую форму. Высота капиллярного подъема в этом случае определяется формулой
где расстояние между пластинами. Формула (101.3) получается точно таким же образом, как и (101.1). Необходимо только учесть, что под цилиндрической поверхностью жидкость испытывает давление, равное где радиус мениска (см. рис. 123), связанный с расстоянием между пластинами очевидным соотношением:
Формула (101.3) иллюстрируется следующим простым демонстрационным опытом (рис. 124). Две тщательно промытые стеклянные пластинки располагают под углом друг к другу так, чтобы образовался клин, и помещают в воду. Вода, смачивающая чистое стекло, поднимается вверх, но высота подъема в соответствии с формулой
(101.3) будет убывать по мере увеличения расстояния между пластинками. Это расстояние растет с увеличением расстояния х от ребра клина. Если - угол между пластинами, то расстояние между ними Поэтому высота уровня жидкости изменяется с изменением х по формуле
где - постоянная, характерная для данной пары «твердое тело - жидкость» и данного угла клина. Уравнение (101.4) есть уравнение гиперболы. Именно такую форму, как это хорошо известно, и имеет линия пересечения поверхности жидкости и пластин.
То обстоятельство, что у самого основания клина уровень жидкости не уходит очень высоко, объясняется тем, что невозможно вполне плотно соединить пластины. Между ними всегда остается небольшой зазор, ширина которого и определяет высоту уровня у основания клина, где
