Капілярні явищаповерхневі явища на межі рідини з ін середовищем, пов'язані з викривленням її поверхні. Викривлення поверхні рідини на кордоні з газовою фазоювідбувається в результаті дії поверхневого натягу рідини, яке прагне скоротити поверхню розділу та надати обмеженому об'єму рідини форму кулі. Оскільки куля має мінімальну поверхню при даному обсязі, така форма відповідає мінімуму поверхневої енергії рідини, тобто. її стійкого рівноважного стану. У разі досить великих мас рідини дія поверхневого натягу компенсується силою тяжкості, тому малов'язка рідина швидко набуває форми судини, в яку вона налита, а її віль. поверхня видається практично плоскою.
У відсутність сили тяжкості або у разі дуже малих мас рідина завжди набуває сферичної форми (крапля), кривизна поверхні якої визначає мн. властивості речовини Тому капілярні явища яскраво виражені та грають істотну рольв умовах невагомості, при дробленні рідини в газовому середовищі (або розпиленні газу в рідині) та утворенні систем, що складаються з багатьох крапель або бульбашок (емульсій, аерозолів, пін), при зародженні нової фази крапель рідини при конденсації парів, бульбашок пара при скипанні, зародків кристалізації. При контакті рідини з конденсованими тілами (іншою рідиною або твердим тілом) викривлення поверхні поділу відбувається внаслідок дії міжфазного натягу.
У разі змочування, наприклад, при зіткненні рідини з твердою стінкою судини, сили тяжіння, що діють між молекулами твердого тіла і рідини, змушують її підніматися по стінці судини, внаслідок чого ділянка поверхні рідини, що примикає до стінки, приймає увігнуту форму. У вузьких каналах, наприклад, циліндричних капілярах, утворюється увігнутий меніск - повністю викривлена поверхня рідини (рис. 1).
Мал. 1. Капілярне підняття на висоту hрідини, що змочує стінки капіляра радіусу r; q – крайовий кут змочування.
Капілярний тиск.
Так як сили поверхневого (міжфазного) натягу спрямовані по дотичній поверхні рідини, викривлення останньої веде до появи складової, спрямованої всередину об'єму рідини. В результаті виникає капілярний тиск, величина якого Dp пов'язана із середнім радіусом кривизни поверхні r 0 рівнянням Лапласа:
Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)
де p 1 і p 2 - тиску в рідині 1 і сусідній фазі 2 (газ або рідина), s 12 - поверхневий (міжфазний) натяг.
Якщо поверхню рідини увігнута (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 змінюється на зворотний. Негативний капілярний тиск, що виникає у разі змочування рідиною стінок капіляра, призводить до того, що рідина всмоктуватиметься в капіляр доти, доки вага стовпа рідини заввишки. hне врівноважує перепад тиску Dp. У стані рівноваги висота капілярного підняття визначається формулою Жюрена:
де r 1 і r 2 - густини рідини 1 і середовища 2, g - прискорення сили тяжіння, r - радіус капіляра, q - крайовий кут змочування. Для незмочують стінки капіляра рідин cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
З виразу (2) випливає визначення постійної капілярної рідини а= 1/2. Вона має розмірність довжини та характеризує лінійний розмір Z[а,при якому суттєвими стають капілярні явища Так, для води при 20 °С а = 0,38 см. При слабкій гравітації (g:0) значення азростає. На ділянці контакту частинок капілярна конденсація призводить до стягування частинок під дією зниженого тиску Dp< 0.
Рівняння Кельвіна.
Викривлення поверхні рідини призводить до зміни над нею рівноважного тиску пари рв порівнянні з тиском насиченої пари p sнад плоскою поверхнеюза тієї ж температури Т.Ці зміни описуються рівнянням Кельвіна:
де - молярний об'єм рідини, R - постійна газова. Зниження чи підвищення тиску пари залежить від знака кривизни поверхні: над опуклими поверхнями (r 0 > 0) p > p s;над увігнутими (r 0< 0) р< р s . . Так, над краплями тиск пари підвищено; у бульбашках, навпаки, знижено.
На підставі рівняння Кельвіна розраховують заповнення капілярів або пористих тіл при капілярної конденсації.Оскільки значення ррізні для частинок різних розмірів або для ділянок поверхні, що має западини і виступи, рівняння (3) визначає напрям перенесення речовини в процесі переходу системи до стану рівноваги. Це призводить, зокрема, до того, що відносно великі краплі або частинки ростуть за рахунок випаровування (розчинення) дрібніших, а нерівності поверхні некристалічні тіла згладжуються за рахунок розчинення виступів та заліковування западин. Помітні відмінності тиску пари і розчинності мають місце лише за досить малих r 0 (для води, наприклад, при r 0 . Тому рівняння Кельвіна часто використовується для характеристики стану колоїдних системі пористих тіл та процесів у них.
Мал. 2. Переміщення рідини на довжину lу капілярі радіуса r; q – крайовий кут.
Капілярне просочення.
Зниження тиску під увігнутими менісками – одна з причин капілярного переміщення рідини у бік менісків з меншим радіусом кривизни. Приватним випадком цього є просочення пористих тіл - мимовільне всмоктування рідин у ліофільні пори та капіляри (рис. 2). Швидкість vпереміщення меніска в горизонтально розташованому капілярі (або дуже тонкому вертикальному капілярі, коли вплив сили тяжіння мало) визначається рівнянням Пуазейля :
де l- довжина ділянки рідини, що всотається, h - її в'язкість, Dp - перепад тиску на ділянці l, що дорівнює капілярному тиску меніска: Dp = - 2s 12 cos q/r. Якщо крайовий кут q не залежить від швидкості v,можна розрахувати кількість рідини, що вбереться за час tіз співвідношення:
l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Якщо q є функція v, то lі vпов'язані складнішими залежностями.
Рівняння (4) і (5) використовують для розрахунків швидкості просочення при обробці деревини антисептиками, фарбуванні тканин, нанесенні каталізаторів на пористі носії, вилуговуванні та дифузійному вилученні цінних компонентів гірських порід та ін. Для прискорення просочення часто використовують ПАР крайового кута q. Один з варіантів капілярного просочення - витіснення з пористого середовища однієї рідини інший, що не змішується з першою і краще змочує поверхню пір. На цьому засновані, наприклад, методи вилучення залишкової нафти із пластів водними розчинамиПАР, методи ртутної порометрії. Капілярне вбирання в пори розчинів і витіснення з пор рідин, що не змішуються, що супроводжуються адсорбцією і дифузією компонентів, розглядаються фізико-хімічною гідродинамікою.
Крім описаних рівноважних станів рідини та її руху в порах та капілярах, до капілярних явищ відносять також рівноважні стани дуже малих об'ємів рідини, зокрема тонких шарів та плівок. Ці капілярні явища часто називають капілярними явищами II роду. Їх характерні, наприклад, залежність поверхневого натягу рідини від радіуса крапель і лінійне натяг. Капілярні явища вперше досліджено Леонардо да Вінчі (1561), Б. Паскалем (17 ст) та Дж. Жюреном (18 ст) у дослідах з капілярними трубками. Теорія капілярних явищ розвинена роботах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1804), А. Ю. Давидова (1851), Дж. У. Гіббса (1876), І. З. Громеки (1879, 1886). Початок розвитку теорії капілярних явищ ІІ роду покладено працями Б. В. Дерягіна та Л. М. Щербакова.
Змінювати рівень у трубках, вузьких каналах довільної форми, пористих тілах. Підняття рідини відбувається у випадках змочування каналів рідинами, наприклад, води в скляних трубках, піску, грунті і т. п. Зниження рідини відбувається в трубках і каналах, що не змочуються рідиною, наприклад ртуть у скляній трубці.
На основі капілярності заснована життєдіяльність тварин та рослин, хімічні технології, побутові явища (наприклад, підйом гасу за ґнотом у гасовій лампі, витирання рук рушником). Капілярність ґрунту визначається швидкістю, з якою вода піднімається у ґрунті та залежить від розміру проміжків між ґрунтовими частинками.
Капілярами називаються тонкі трубки, а також найтонші судини в організмі людини та інших тварин (див. Капіляр (біологія)).
Див. також
Література
- Прохоренко П. П. Ультразвуковий капілярний ефект / П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Є. Коновалов; За ред. В. В. Клубовича. 135 с. Мінськ: «Наука та техніка», 1981.
Посилання
- Горін Ю. В. Покажчик фізичних ефектів та явищ для використання при вирішенні винахідницьких завдань (ТРИЗ-інструмент) // Глава. 1.2 Поверхневий натяг рідин. Капілярність.
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитись що таке "Капіляр (фізика)" в інших словниках:
Слово капіляр застосовується для позначення дуже вузьких трубок, якими може проходити рідина. Докладніше дивись у статті Капілярний ефект. Капіляр (біологія) – найдрібніший вид кровоносних судин. Капіляр (фізика) Капілярний ... Вікіпедія
Критерій Ландау надплинності співвідношення між енергіями та імпульсами елементарних збуджень системи (фононів), що зумовлює можливість її знаходження у надплинному стані. Зміст 1 Формулювання критерію 2 Висновок критерію … Вікіпедія
Зовнішній блок спліт системи та конденсатори (вентиляторні градирні) торговельного холодильного обладнання на одній стійці Кліматичне та холодильне обладнання обладнання, засноване на роботі холодильних машин.
Зміна температури газу в результаті повільного протікання його під дією постійного перепаду тиску крізь дросель місцеву перешкоду потоку газу (капіляр, вентиль або пористу перегородку, розташовану в трубі на шляху).
Є безбарвною прозорою рідиною, що кипить при атмосферному тиску при температурі 4,2 К (рідкий 4He). Щільність рідкого гелію при температурі 4,2 К становить 0,13 г/см3. Володіє малим коефіцієнтом заломлення, через… … Вікіпедія
Ефект фонтанування, поява в надплинній рідині різниці тиску Δр, обумовленої різницею температур ΔТ (див. надплинність). Т. е. проявляється в рідкому надплинному гелії у відмінності рівнів рідини у двох судинах, … Велика Радянська Енциклопедія
Кожен з нас легко згадає чимало речовин, які він вважає рідинами. Однак дати точне визначення цього стану речовини не так просто, оскільки рідини мають такі фізичними властивостями, що в одних стосунках вони… Енциклопедія Кольєра
Капілярність (від лат. capillaris волосяний), капілярний ефект фізичне явище, що полягає у здатності рідин змінювати рівень у трубках, вузьких каналах довільної форми, пористих тілах. Підняття рідини відбувається у випадках… … Вікіпедія
) — сила, яка зумовлена капілярними явищами. До капілярних явищ відносяться поверхневі явища на межі рідини з іншим середовищем, пов'язані з викривленням її.
Опис
Викривлення поверхні рідини на кордоні з газовою фазою відбувається в результаті дії поверхневого натягу рідини, яке прагне скоротити поверхню розділу та надати обмеженому об'єму рідини форму з найменшим потенціалом сил поверхневого натягу. Сили поверхневого натягу створюють під поверхнею розділу фаз додатковий тиск (капілярний тиск), величина якого визначається формулою Лапласа:
де - поверхневий натяг, а - Середній радіус кривизни поверхні.
У разі досить великих мас рідини дія поверхневого натягу компенсується силою тяжкості, тому капілярні явища проявляються насамперед у разі знаходження рідини у вузьких каналах (капілярах) та пористих середовищах.
У вузькому каналі межа розділу рідини з газом приймає викривлену форму (меніск), опуклу у разі незмочування рідиною стінок капіляра та увігнуту у разі змочування. Випуклий меніск створює під своєю поверхнею надлишковий тиск, увігнутий меніск – негативний тиск (розрідження). Останнє явище змушує рідину затікати в капіляри зі стінками, що змочуються, у тому числі проти сили тяжіння, що відіграє важливу роль у багатьох біологічних процесах. Капілярні явища в пористих середовищах відповідають за поширення ґрунтових вод, просочування рідинами тканин та інших волокнистих матеріалів (ефект ґноту). При взаємодії двох шорстких змочених поверхонь поблизу локальних плям контакту виникають меніски рідини, що призводять до капілярної виникнення.
Ілюстрації
Автори
- Горячова Ірина Георгіївна
- Шпенєв Олексій Геннадійович
Джерела
- Capillary action // Wikipedia, free Encyclopedia. -www.en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action (дата звернення: 26.07.2010).
- Капілярні явища// Хімічна енциклопедія. Т. 2. - М: Радянська енциклопедія, 1990. С. 310-311.
- Капілярні явища// Велика Радянська енциклопедія. 3-тє вид., 1969-1978.
Цілі уроку:
- вивчення найважливіших явищ та властивостей природи – змочування, не змочування, капілярних явищ.
Завдання уроку:
Навчальні: заглиблення в явища змочування і капілярність рідини, дізнатися сферу їх застосування;
Розвиваючі: розвинути в учнів творчого мислення та мови;
Основні терміни:
Змочування- Це поверхове явище, яке полягає у взаємодії поверхні твердого тіла (іншої рідини) з рідиною.
Кут змочування (показує ступінь змочування)– це кут, який утворений дотичними площинами до міжфазних поверхонь, які обмежують рідину, що змочує, при цьому вершина кута лежить на лінії розділу трьох фаз.
На відео представлено капілярну течію рідини.
Викривлення поверхні призводить до появи додаткового капілярного тиску в рідині Dp, величина якого пов'язана із середньою кривизною r поверхні рівнянням Лапласа: Dp = p1 – p2 = 2s12/r, де (s12 – поверхневий натяг на межі двох середовищ; p1 та p2 – тиск у рідини 1 і контактуючої з нею середовищі 2.
Області застосуванняЗмочування може пояснити застосування миючих засобів, той факт, чому руки, які в маслі чи мастилі легше змити бензином, ніж водою, а також чому гуси виходять сухими їх води та ін. Пояснення капілярних явищ відбувається у русі води в рослинах і капілярах. А також при обробці ґрунту. Наприклад: збереження вологи розпушуванням та ін., руйнуючи капіляри. А так само капілярне явище може пояснити електричні та ядерні явища, що дозволяє виявляти тріщини з розкриттям від 1 мкм, які неможливо побачити неозброєним оком.
Висновки.
Ми живемо у світі найдивовижніших явищ природи. Їх дуже багато. Ми стикаємося з ними щодня, не замислюючись про сутність. Але людина як розумний феномен має розуміти суть цих явищ. Такі явища як змочування і не змочування, капілярне явище дуже поширені в техніці та природі. Вони незамінні у повсякденному житті та у вирішенні науково-технічних завдань. Ці знання дають нам відповіді багато питань. Наприклад, чому крапля є у вільному польоті або чому планети та зірки мають кулясту форму, одні тверді тіла добре змочуються рідиною, а інші ні. Чому капілярні явища можуть всмоктувати поживні елементи, вологу з ґрунту коріння рослин, або чому кровообіг у тваринних організмах ґрунтується на капілярному явищі тощо.
Контролюючий блок:
1. Що таке капіляр?
2.Як розпізнати змочування та не змочування?
3. Наведіть приклад змочування.
4. Що таке капілярне явище?
5.Наведіть приклад не змочування.
Домашнє завдання.
Хід роботи
1.Помістіть краплі води та олії на скляну, алюмінієву, мідну, парафінову пластини.
2. Замалюйте форми крапель.
3. Розгляньте краплі та зробіть висновки про взаємозв'язок молекул твердого тіла та рідини.
4. Ці результати заносите до таблиці.
5. Додайте за допомогою шприца в суміш води та спарту трохи оливкого масла.
6.Пропустіть через центр масляної кулі дріт і обертайте його.
7.Зверніть увагу як змінюється форма краплі.
8. Зробіть висновки про форму поверхні рідини.
Плівка води, що знаходиться на поверхні, є для багатьох організмів під час руху опорою. Вона спостерігається у дрібних комах та павукоподібних. Найвідоміші нам водомірки, які спираються на воду лише кінцевими члениками широко розставлених лапок. Лапка покрита воскоподібним нальотом, не змочується водою. Поверхневий шар води прогинається під тиском лапки і утворюють невеликі заглиблення. (рисунок 6) Пір'я та пух водоплавних птахів завжди рясно змащені жировими виділеннями особливих залоз. Це пояснює їхню непромокальність. Товстий шар повітря, який знаходиться між пір'ям качки і не витісняється звідти водою, не тільки захищає качку від втрати тепла, а й надзвичайно збільшує запас плавучості.
Ми бачили, що поверхня рідини, налитої в посудину, має деяку кривизну поблизу кордону між рідиною та твердою стінкою судини, тобто там, де помітну роль відіграють сили взаємодії між молекулами рідини та твердого тіла. У решті своєї частини поверхня плоска, оскільки сила тяжіння тут пригнічує молекулярні сили взаємодії. Однак, якщо загальна величина поверхні невелика, наприклад у випадку, коли рідина знаходиться у вузькій посудині, вплив стінок простягається на всю поверхню рідини, і вона виявляється викривленою на всьому своєму протязі (судина може вважатися вузькою, коли її розміри можна порівняти з радіусом кривизни поверхні рідини , що стикається зі стінками судини).
Якщо розміри посудини, в яких знаходиться рідина, або, у більш загальному випадку, якщо відстань між поверхнями, що обмежують рідину, можна порівняти з радіусом кривизни поверхні рідини, то такі судини називаються капілярними (волосними). Явища, які у таких судинах, називаються капілярними явищами.
Розглянемо деякі, найбільш характерні явищапов'язані з капілярністю.
Так як для капілярних судин характерна, перш за все, кривизна поверхні рідини в них, то природно, що тут найбільше впливає додатковий тиск, викликаний кривизною поверхні (тиск Лапласа). Безпосереднім наслідком цього додаткового тиску є так зване капілярне піднесення.
На рис. 121 зображена вузька трубка, опущена в широку посудину з рідиною. Нехай стінки трубки змочуються рідиною. Тоді рідина, що проникла в трубку, утворює увігнутий меніск. Нехай трубка настільки вузька, що її радіус можна порівняти з радіусом меніска.
Внаслідок тиску, викликаного кривизною поверхні, рідина, що заповнює трубку, відчуває тиск спрямований до центру кривизни меніска, тобто вгору, і де радіус меніска і а - коефіцієнт поверхневого натягу рідини. Під дією цього тиску рідина піднімається трубкою до рівня при якому гідростатичний тиск стовпа рідини висотою врівноважує тиск Умовою рівноваги буде, отже, рівність
де густина рідини, прискорення сили тяжіння. Ця рівність визначає висоту підйому рідини в капілярі.
Неважко встановити зв'язок між висотою підйому та радіусом трубки Звернемося для цього до рис. 122, на якому меніск та капіляр зображені у великому масштабі. Центр сфери, частиною якої є меніск, знаходиться в точці О. Крайовий кут рідини, що торкається стінок капіляра, дорівнює 0: З креслення безпосередньо випливає, що Тому рівність перепишеться у вигляді: , звідки
Зокрема, для рідини, яка повністю змочує стінки капіляра та для якої, отже, маємо:
Як і слід очікувати, висота підйому рідини в капілярі (капілярний підйом) зростає зі зменшенням радіусу капіляра та зі збільшенням коефіцієнта поверхневого натягу рідини.
Якщо рідина не змочує капіляра, картина буде зворотною, тому що меніск тепер опуклий, а центр кривизни знаходиться не поза, а всередині рідини, і тиск Лапласа виявиться спрямованим донизу. Рівень рідини в капілярі буде нижчим від рівня в посудині, в який опущений капіляр (негативний капілярний підйом).
Різниця рівнів цьому випадку визначається рівнянням (101.1) чи (101.2).
Капілярним підйомом пояснюється ряд широко відомих явищ: всмоктування рідини фільтрувальним папером, що виготовляється так, щоб у ній були вузькі звивисті пори; перенос гасу вздовж ґнота, волокна якого також є тонкими капілярами, і т. п. Капілярні сили забезпечують і підйом води з ґрунту по стовбурах дерев: волокна деревини відіграють роль дуже тонких капілярів.
Капілярне піднесення може, звичайно, спостерігатися не тільки в циліндричних капілярах. Рідина піднімається вгору між двома пластинками, розділеними вузьким зазором (рис. 123). Якщо пластини паралельна одна одній, то мені має циліндричну форму. Висота капілярного підйому у разі визначається формулою
де відстань між пластинами. Формула (101.3) виходить так само, як і (101.1). Необхідно лише врахувати, що під циліндричною поверхнею рідина відчуває тиск, рівний де радіус меніска (див. рис. 123), пов'язаний з відстанню між пластинами очевидним співвідношенням:
Формула (101.3) ілюструється наступним простим демонстраційним досвідом (рис. 124). Дві ретельно промиті скляні пластинки розташовують під кутом один до одного так, щоб утворився клин, і поміщають у воду. Вода, що змочує чисте скло, піднімається вгору, але висота підйому відповідно до формули
(101.3) буде спадати зі збільшенням відстані між пластинками. Ця відстань зростає із збільшенням відстані х від ребра клину. Якщо - кут між пластинами, то відстань між ними Тому висота рівня рідини змінюється зі зміною х за формулою
де - постійна, характерна для цієї пари тверде тіло- рідина» та даного кута клина. Рівняння (101.4) є рівняння гіперболи. Саме таку форму, як добре відомо, і має лінія перетину поверхні рідини і пластин.
Та обставина, що в самої основи клину рівень рідини не йде дуже високо, пояснюється тим, що неможливо повністю з'єднати пластини. Між ними завжди залишається невеликий зазор, ширина якого і визначає висоту рівня біля основи клину, де
