Fenomene capilare în natură și tehnologie. Fenomene de umezire

Atenţie! Administrația site-ului nu este responsabilă pentru conținut evoluții metodologice, precum și pentru conformitatea cu dezvoltarea Standardului Educațional de Stat Federal.

• Participant: Nikolaev Vladimir Sergeevich
• Șef: Suleymanova Alfiya Sayfullovna

Ţintă munca de cercetare: să fundamenteze din punct de vedere al fizicii motivul deplasării lichidului prin capilare, să identifice trăsăturile fenomenelor capilare.

Introducere

În era noastră de înaltă tehnologie, totul valoare mai mareștiințele naturii au un rol în viața oamenilor. Oamenii secolului 21 produc computere super-eficiente, smartphone-uri și studiază lumea din jurul nostru din ce în ce mai profund. Cred că oamenii se pregătesc pentru o nouă științifică revoluție tehnică, care ne va schimba radical viitorul. Dar nimeni nu știe când vor avea loc aceste schimbări. Fiecare persoană poate aduce această zi mai aproape cu munca sa.

Această lucrare de cercetare este mica mea contribuție la dezvoltarea fizicii.

Această lucrare de cercetare este dedicată temei actuale relevante „Fenomene capilare”. În viață, de multe ori avem de-a face cu corpuri pătrunse de multe canale mici (hârtie, fire, piele, diverse materiale de constructie, pământ, copac). Atunci când astfel de corpuri intră în contact cu apa sau alte lichide, ele le absorb adesea. Acest proiect arată importanța capilarelor în viața organismelor vii și nevii.

Scopul lucrării de cercetare: fundamentarea din punct de vedere al fizicii a motivului deplasării lichidului prin capilare, identificarea trăsăturilor fenomenelor capilare.

Obiect de studiu: proprietatea lichidelor, atunci când sunt absorbite, de a se ridica sau a coborî prin capilare.

Subiect de cercetare: fenomene capilare în natura vie și neînsuflețită.

1. Studiați materialul teoretic despre proprietățile lichidelor.
2. Familiarizați-vă cu materialul despre fenomenele capilare.
3. Efectuați o serie de experimente pentru a afla motivul creșterii lichidului în capilare.
4. Rezumați materialul studiat în timpul lucrării și formulați o concluzie.

Înainte de a trece la studiul fenomenelor capilare, este necesar să se familiarizeze cu proprietățile lichidului, care joacă un rol semnificativ în fenomenele capilare.

Tensiune superficială

Termenul „tensiune de suprafață” în sine implică faptul că substanța de la suprafață este într-o „tensiune”, adică o stare tensionată, care se explică prin acțiunea unei forțe numite presiune internă. Acesta trage molecule în interiorul lichidului într-o direcție perpendiculară pe suprafața acestuia. Astfel, moleculele situate în straturile interioare ale unei substanțe experimentează, în medie, o atracție egală în toate direcțiile față de moleculele din jur; moleculele stratului de suprafaţă sunt supuse unei atracţii inegale din straturile interne de substanţe şi din partea care mărgineşte stratul superficial al mediului. De exemplu, la interfața lichid-aer, moleculele lichide situate în stratul de suprafață sunt mai puternic atrase de moleculele vecine ale straturilor interioare de lichid decât de moleculele de aer. Acesta este motivul diferenței dintre proprietățile stratului de suprafață al unui lichid și proprietățile volumelor sale interne.

Presiunea internă face ca moleculele situate pe suprafața lichidului să fie atrase în interior și, prin urmare, tinde să reducă suprafața la minimum în condiții date. Forța care acționează pe unitatea de lungime a interfeței, care provoacă contracția suprafeței lichidului, se numește forță de tensiune superficială sau pur și simplu tensiune superficială σ.

Tensiunea superficială a diferitelor lichide nu este aceeași, depinde de volumul lor molar, de polaritatea moleculelor, de capacitatea moleculelor de a forma legături de hidrogen între ele etc.

Pe măsură ce temperatura crește, tensiunea superficială scade liniar. Tensiunea superficială a unui lichid este influențată și de impuritățile din acesta. Substanțele care slăbesc tensiunea superficială se numesc surfactanți (surfactanți). În raport cu apa, surfactanții sunt produse petroliere, alcooli, eter, săpun și alte substanțe lichide și solide. Unele substanțe cresc tensiunea superficială. Impuritățile de săruri și zahăr, de exemplu.

Explicația pentru aceasta este dată de MKT. Dacă forțele de atracție dintre moleculele lichidului în sine sunt mai mari decât forțele de atracție dintre moleculele agentului tensioactiv și lichidului, atunci moleculele lichidului se deplasează spre interior din stratul de suprafață, iar moleculele agentului tensioactiv sunt forțate să iasă suprafata. Evident, moleculele de sare și zahăr vor fi atrase în lichid, iar moleculele de apă vor fi forțate să iasă la suprafață. Astfel, tensiunea superficială - conceptul de bază al fizicii și chimiei fenomenelor de suprafață - este una dintre cele mai importante caracteristici din punct de vedere practic. Trebuie remarcat faptul că orice gravă cercetareîn domeniul fizicii sistemelor eterogene necesită măsurarea tensiunii superficiale. Istoria metodelor experimentale de determinare a tensiunii superficiale, datând de mai bine de două secole, a evoluat de la metode simple și brute la tehnici de precizie care permit determinarea tensiunii superficiale cu o precizie de sutimi de procent. Interesul pentru această problemă a crescut mai ales în ultimele decenii în legătură cu intrarea omului în spațiu și dezvoltarea construcțiilor industriale, unde forțele capilare din diverse dispozitive joacă adesea un rol decisiv.

O astfel de metodă pentru determinarea tensiunii superficiale se bazează pe ridicarea unui lichid de umectare între două plăci de sticlă. Acestea ar trebui să fie coborâte într-un vas cu apă și aduse treptat mai aproape paralele între ele. Apa va începe să se ridice între plăci - va fi atrasă de forța tensiunii superficiale, care a fost menționată mai sus. Este ușor să se calculeze coeficientul de tensiune superficială σ din înălțimea creșterii apei y și decalajul dintre plăci d.

Forța de tensiune superficială F= 2σ L, Unde L– lungimea farfurii (cele două au apărut datorită faptului că apa vine în contact cu ambele farfurii). Această forță menține stratul de masă de apă m = ρ Ldu, unde ρ este densitatea apei. Astfel, 2σ L = ρ Ldуg. De aici puteți găsi coeficientul de tensiune superficială σ = 1/2(ρ gdu). (1) Dar este mai interesant să faceți acest lucru: apăsați plăcile împreună la un capăt și lăsați un mic spațiu la celălalt.

Apa se va ridica și va forma o suprafață surprinzător de regulată între plăci. O secțiune a acestei suprafețe printr-un plan vertical este o hiperbolă. Pentru a dovedi, este suficient să înlocuim în formula (1) în loc de d o nouă expresie pentru decalajul dintr-un loc dat. Din asemănarea triunghiurilor corespunzătoare (vezi Fig. 2) d = D (x/L). Aici D– gol la sfârșit, L– este încă lungimea plăcii și x– distanța de la punctul de contact al plăcilor până la locul unde se determină golul și înălțimea nivelului. Astfel, σ = 1/2(ρ gу)D(x/L), sau la= 2σ L/ρ gD(1/ X). (2) Ecuația (2) este într-adevăr o ecuație de hiperbolă.

Udare și neumedare

Pentru un studiu detaliat al fenomenelor capilare, este necesar să se ia în considerare unele fenomene moleculare care se găsesc la limita trifazată a coexistenței fazelor solide, lichide, gazoase, în special, se consideră contactul unui lichid cu un corp solid. . Dacă forțele de aderență dintre moleculele unui lichid sunt mai mari decât cele dintre moleculele unui corp solid, atunci lichidul tinde să reducă limita (aria) contactului său cu corpul solid, retrăgându-se de acesta dacă este posibil. O picătură dintr-un astfel de lichid pe o suprafață orizontală a unui corp solid va lua forma unei bile turtite. În acest caz, se spune că lichidul nu udă solidul. Unghiul θ format de suprafața solidului și tangenta la suprafața lichidului se numește unghi de margine. Pentru neumezire θ > 90°. În acest caz, o suprafață solidă care nu este umezită de un lichid se numește hidrofobă sau oleofilă. Dacă forțele de aderență dintre moleculele lichidului sunt mai mici decât cele dintre moleculele lichidului și solidului, atunci lichidul tinde să crească limita de contact cu solidul. În acest caz, lichidul se numește umezirea solidului; unghiul de contact θ< 90°. Поверхность же будет носить название гидрофильная. Случай, когда θ = 180°, называется полным несмачиванием. Однако это практически никогда не наблюдается, так как между молекулами жидкости и твёрдого тела всегда действуют силы притяжения. При θ = 0° наблюдается полное смачивание: жидкость растекается по всей поверхности твёрдого тела. Полное смачивание или полное несмачиваение являются cazuri extreme. Între ele, în funcție de raportul forțelor moleculare, o poziție intermediară este ocupată de cazuri de tranziție de umezire incompletă.

Udabilitatea și non-umebilitatea sunt concepte relative: un lichid care umezește un corp solid poate să nu ude un alt corp. De exemplu, apa uda sticla, dar nu uda parafina; mercurul nu umezește sticla, dar udă cuprul.

Udarea este de obicei interpretată ca rezultat al forțelor de tensiune superficială. Fie ca tensiunea superficială la limita aer-lichid să fie σ 1,2, la limita lichid-solid σ 1,3 și la limita aer-solid σ 2,3.

Trei forțe acționează pe unitatea de lungime a perimetrului de umectare, numeric egale cu σ 1.2, σ 2.3, σ 1.3, direcționate tangențial la interfețele corespunzătoare. În cazul echilibrului, toate forțele trebuie să se echilibreze între ele. Forțele σ 2.3 și σ 1.3 acționează în planul suprafeței unui corp solid, forța σ 1.2 este îndreptată spre suprafață sub un unghi θ.

Condiția de echilibru a suprafețelor de interfaz are următoarea formă: σ 2.3 = σ 1.3 + σ 1.2cosθ sau cosθ =(σ 2.3 − σ1.3)/σ 1.2

Valoarea cosθ este de obicei numită umezire și este notă cu litera B.

Starea suprafeței are o anumită influență asupra umezirii. Umiditatea se modifică dramatic chiar și în prezența unui strat monomolecular de hidrocarburi. Acestea din urmă sunt întotdeauna prezente în atmosferă în cantități suficiente. Microrelieful suprafeței are și o anumită influență asupra umezirii. Cu toate acestea, până în prezent, nu a fost încă identificat un model unificat al influenței rugozității oricărei suprafețe asupra umezirii acesteia de către orice lichid. De exemplu, ecuația Wenzel-Deryagin cosθ = x cosθ0 raportează unghiurile de contact ale lichidului pe suprafețele aspre (θ) și netede (θ 0) cu raportul x dintre suprafața adevărată a corpului brut și proiecția acestuia în plan. Cu toate acestea, în practică, această ecuație nu este întotdeauna respectată. Astfel, conform acestei ecuații, în cazul umezirii (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 – la creșterea acestuia (adică la o hidrofobicitate mai mare). Pe baza acestui fapt, se oferă de obicei informații despre efectul rugozității asupra umezirii.

Potrivit multor autori, viteza de împrăștiere a lichidului pe o suprafață rugoasă este mai mică datorită faptului că lichidul, atunci când se împrăștie, experimentează influența de întârziere a denivelărilor (crestele) de rugozitate care apar. Trebuie remarcat faptul că este rata de modificare a diametrului spotului format dintr-o picătură de lichid dozată strict aplicată pe o suprafață curată a materialului care este utilizată ca principală caracteristică de umectare în capilare. Valoarea acestuia depinde atât de fenomenele de suprafață, cât și de vâscozitatea lichidului, densitatea și volatilitatea acestuia.

Evident, un lichid mai vâscos cu alte proprietăți identice durează mai mult să se răspândească pe suprafață și, prin urmare, curge mai lent prin canalul capilar.

Fenomene capilare

Fenomene capilare, ansamblu de fenomene cauzate de tensiunea superficială la interfața mediilor nemiscibile (în sisteme lichid-lichid, lichid-gaz sau vapori) în prezența curburii suprafeței. Un caz special al fenomenelor de suprafață.

După ce am studiat în detaliu forțele care stau la baza fenomenelor capilare, merită să trecem direct la capilare. Astfel, experimental se poate observa că un lichid de umectare (de exemplu, apă într-un tub de sticlă) se ridică prin capilar. Mai mult, cu cât raza capilarului este mai mică, cu atât înălțimea lichidului crește în el. Un lichid care nu umezește pereții capilarului (de exemplu, mercurul într-un tub de sticlă) cade sub nivelul lichidului într-un vas larg. Așadar, de ce fluidul de umectare se ridică pe capilar, iar fluidul care nu udă coboară?

Nu este greu de observat că direct la pereții vasului suprafața lichidului este oarecum curbată. Dacă moleculele unui lichid în contact cu peretele unui vas interacționează cu moleculele corpului solid mai puternic decât unele cu altele, în acest caz lichidul tinde să crească aria de contact cu corpul solid ( lichid umezitor). În acest caz, suprafața lichidului se îndoaie în jos și se spune că umezește pereții vasului în care se află. Dacă moleculele lichidului interacționează între ele mai puternic decât cu moleculele pereților vasului, atunci lichidul tinde să reducă aria de contact cu corpul solid, suprafața sa se curbează în sus. În acest caz, vorbim de neumezirea pereților vasului de către lichid.

În tuburile înguste, al căror diametru este o fracțiune de milimetru, marginile curbate ale lichidului acoperă întregul strat de suprafață, iar întreaga suprafață a lichidului din astfel de tuburi are un aspect asemănător unei emisfere. Acesta este așa-numitul menisc. Poate fi concavă, ceea ce se observă în cazul umezirii, și convexă în cazul neumezirii. Raza de curbură a suprafeței lichidului este de același ordin cu raza tubului. Fenomenele de umezire și neumezire în acest caz sunt caracterizate și prin unghiul de contact θ dintre suprafața umedă a tubului capilar și menisc în punctele de contact ale acestora.

Sub un menisc concav al unui fluid de umectare, presiunea este mai mică decât sub o suprafață plană. Prin urmare, lichidul dintr-un tub îngust (capilar) se ridică până la presiune hidrostatică lichidul ridicat în capilar la nivelul unei suprafeţe plane nu va compensa diferenţa de presiune. Sub meniscul convex al fluidului neumeziv, presiunea este mai mare decât sub suprafața plană, ceea ce duce la scufundarea fluidului neumeziv.

Prezența forțelor de tensiune superficială și curbura suprafeței lichidului într-un tub capilar este responsabilă pentru presiunea suplimentară sub suprafața curbată, numită presiune Laplace: ∆ p= ± 2σ / R.

Semnul presiunii capilare („plus” sau „minus”) depinde de semnul curburii. Centrul de curbură al unei suprafețe convexe se află în faza corespunzătoare. Suprafețele convexe au curbură pozitivă, suprafețele concave au curbură negativă.

Astfel, starea de echilibru pentru un lichid într-un tub capilar este determinată de egalitate

p 0 = p 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)

unde ρ este densitatea lichidului, h– înălțimea ridicării sale în tub, p 0 – presiunea atmosferică.

Din expresie dată rezultă că h= 2σ /ρ gR. (2)

Să transformăm formula rezultată, exprimând raza de curbură R menisc prin raza tubului capilar r.

Din fig. 6.18 rezultă că r = R cosθ. Înlocuind (1) în (2), obținem: h= 2σ cosθ /ρ gr.

Formula rezultată, care determină înălțimea creșterii lichidului într-un tub capilar, se numește formula lui Jurin. Evident, cu cât raza tubului este mai mică, cu atât înălțimea lichidului se ridică în el. În plus, înălțimea creșterii crește odată cu creșterea coeficientului de tensiune superficială a lichidului.

Creșterea lichidului de umectare prin capilar poate fi explicată în alt mod. După cum am menționat mai devreme, sub influența forțelor de tensiune superficială, suprafața lichidului tinde să se contracte. Ca urmare, suprafața meniscului concav tinde să se îndrepte și să devină plată. În același timp, trage de-a lungul particulelor de lichid aflate sub el, iar lichidul se ridică în capilar. Dar suprafața lichidului dintr-un tub îngust nu poate rămâne plată, trebuie să aibă forma unui menisc concav. De îndată ce această suprafață ia forma unui menisc într-o nouă poziție, va tinde din nou să se contracte etc. Ca urmare a acestor motive, lichidul de umectare se ridică prin capilar. Ridicarea se va opri atunci când forța gravitațională F a coloanei ridicate de lichid, care trage suprafața în jos, echilibrează forța rezultantă F a forțelor de tensiune superficială direcționate tangențial către fiecare punct de pe suprafață.

De-a lungul cercului de contact al suprafeței lichidului cu peretele capilar există o forță de tensiune superficială egală cu produsul dintre coeficientul de tensiune superficială și circumferința: 2σπ r, Unde r– raza capilarului.

Forța gravitației care acționează asupra lichidului ridicat este

F cordon = mg = ρ Vg = ρπ r^2hg

unde ρ este densitatea lichidului; h– înălțimea coloanei de lichid în capilar; g– structura gravitației.

Creșterea lichidului se oprește când F cordon = F sau ρπ r^2hg= 2σπ r. De aici înălțimea lichidului care se ridică în capilar h= 2σ /ρ gR.

În cazul unui lichid neumeziv, acesta din urmă, încercând să-și reducă suprafața, va coborî, împingând lichidul în afara capilarului.

Formula derivată este, de asemenea, aplicabilă unui lichid neumeziv. În acest caz h– înălțimea coborârii lichidului în capilar.

Fenomene capilare în natură

Fenomenele capilare sunt, de asemenea, foarte frecvente în natură și sunt adesea folosite în practica umană. Lemnul, hartia, pielea, caramida si multe alte obiecte din jurul nostru au capilare. Datorita capilarelor, apa se ridica de-a lungul tulpinilor plantelor si este absorbita in prosop atunci cand ne uscam cu el. Ridicarea apei prin orificiile mici dintr-o bucată de zahăr, extragerea sângelui dintr-un deget sunt, de asemenea, exemple de fenomene capilare.

Sistemul circulator uman, începând cu vase foarte groase, se termină cu o rețea foarte ramificată de capilare subțiri. De exemplu, următoarele date pot fi de interes. Aria secțiunii transversale a aortei este de 8 cm2. Diametrul unui capilar sanguin poate fi de 50 de ori mai mic decât diametrul unui păr uman cu o lungime de 0,5 mm. Există aproximativ 160 de miliarde de capilare în corpul uman adult. Lungimea lor totală ajunge la 80 de mii de km.

Prin numeroasele capilare prezente în sol, apa din straturile profunde se ridică la suprafață și se evaporă intens. Pentru a încetini procesul de pierdere a umidității, capilarele sunt distruse prin slăbirea solului folosind grape, cultivatoare și rippers.

Partea practică

Să luăm un tub de sticlă cu un diametru interior foarte mic ( d < l мм), так называемый капилляр. Опустим один из концов капилляра в сосуд с водой -вода поднимется выше уровня воды в сосуде. Поверхностное натяжение способно поднимать жидкость на сравнительно большую высоту.

Creșterea lichidului datorită acțiunii forțelor de tensiune superficială a apei poate fi observată într-un experiment simplu. Ia o cârpă curată și coboară un capăt într-un pahar cu apă și atârnă celălalt peste marginea paharului. Apa va începe să se ridice prin porii țesăturii, similar tuburilor capilare, și va satura întreaga cârpă. Excesul de apă va picura din capătul agățat (vezi fotografia 2).

Dacă luați o țesătură de culoare deschisă pentru experiment, atunci în fotografie este foarte dificil să vedeți cum se răspândește apa prin țesătură. De asemenea, rețineți că nu toate țesăturile vor avea exces de picurare de apă de la capătul atârnând. Am făcut acest experiment de două ori. Prima dată am folosit țesături ușoare (tricotaje din bumbac); Apa curgea foarte bine în picături de la capătul agățat. A doua oară am folosit țesătură închisă la culoare (tricotaje din fibre mixte - bumbac și sintetice); Era clar cum apa s-a răspândit peste țesătură, dar nu cădeau picături de la capătul agățat.

Creșterea lichidului prin capilare are loc atunci când forțele de atracție ale moleculelor lichide între ele sunt mai mici decât forțele de atracție a acestora față de moleculele unui corp solid. În acest caz, se spune că lichidul udă solidul.

Dacă luați un tub nu foarte subțire, umpleți-l cu apă și închideți capătul inferior al tubului cu degetul, veți vedea că nivelul apei din tub este concav (Fig. 9).

Acesta este rezultatul faptului că moleculele de apă sunt mai atrase de moleculele pereților vasului decât unele de altele.

Nu toate lichidele și nu în toate tuburile „se agăță” de pereți. De asemenea, se întâmplă ca lichidul din capilar să scadă sub nivelul unui vas larg, în timp ce suprafața sa este convexă. Se spune că un astfel de lichid nu udă suprafața unui solid. Atractia moleculelor lichide unele fata de altele este mai puternica decat fata de moleculele peretilor vasului. Așa se comportă, de exemplu, mercurul într-un capilar de sticlă. (Fig.10)

Concluzie

Deci, în cursul acestei lucrări m-am convins că:

1. Fenomenele capilare joacă un rol important în natură.
2. Creșterea lichidului în capilar continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar devine egală ca mărime cu forța rezultată.
3. Lichidul de umectare din capilare se ridică, iar lichidul care nu se umezește se mișcă în jos.
4. Înălțimea creșterii lichidului într-un capilar este direct proporțională cu tensiunea superficială a acestuia și invers proporțională cu raza canalului capilar și cu densitatea lichidului.

Fenomene capilare, fenomene de suprafață la interfața unui lichid cu un alt mediu asociat cu curbura suprafeței sale. Curbura suprafeței lichide la limita cu faza gazoasă are loc ca urmare a acțiunii tensiunii superficiale a lichidului, care tinde să scurteze interfața și să confere volumului limitat de lichid o formă sferică. Deoarece bila are o suprafață minimă pentru un volum dat, această formă corespunde energiei minime de suprafață a lichidului, adică. starea sa de echilibru stabil. În cazul unor mase suficient de mari de lichid, efectul tensiunii superficiale este compensat de gravitație, astfel încât un lichid cu vâscozitate scăzută ia rapid forma vasului în care este turnat și este liber. suprafața pare aproape plană.

În absența gravitației sau în cazul unor mase foarte mici, lichidul ia întotdeauna o formă sferică (picătură), a cărei curbură a suprafeței este determinată de plural. proprietățile materiei. Prin urmare, fenomenele capilare sunt clar exprimate și joacă un rol semnificativ în condiții de imponderabilitate, la zdrobirea lichidului în mediu gazos(sau atomizarea gazului într-un lichid) și formarea de sisteme formate din mai multe picături sau bule (emulsii, aerosoli, spume), cu apariția unei noi faze de picături de lichid în timpul condensării vaporilor, bule de vapori în timpul fierberii și cristalizarea nuclee. Când un lichid intră în contact cu corpuri condensate (un alt lichid sau un solid), curbura interfeței are loc ca urmare a tensiunii interfeței.

În cazul umezirii, de exemplu, atunci când un lichid intră în contact cu peretele solid al unui vas, forțele atractive care acționează între moleculele solidului și lichidului fac ca acesta să se ridice de-a lungul peretelui vasului, ca urmare din care porţiunea de suprafaţă a lichidului adiacent peretelui ia formă concavă. În canalele înguste, de exemplu, capilarele cilindrice, se formează un menisc concav - o suprafață complet curbată a lichidului (Fig. 1).

Orez. 1. Ridicare capilara la inaltime h lichid care umezește pereții unui capilar de rază r; q este unghiul de contact.

Presiunea capilară.

Întrucât forțele de tensiune superficială (interfacială) sunt direcționate tangențial la suprafața lichidului, curbura acestuia din urmă duce la apariția unei componente direcționate în interiorul volumului lichidului. Ca urmare, apare presiunea capilară, a cărei valoare Dp este legată de raza medie de curbură a suprafeței r 0 prin ecuația Laplace:

Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)

unde p 1 și p 2 - presiunea in lichidul 1 si faza vecina 2 (gaz sau lichid), s 12 - tensiune superficiala (interfaciala).

Dacă suprafața lichidului este concavă (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) semnul lui Dp este inversat. Presiunea capilară negativă, care apare atunci când pereții capilarului sunt umeziți cu lichid, duce la faptul că lichidul va fi aspirat în capilar până când greutatea coloanei de lichid este mare. h nu va echilibra diferența de presiune Dp. Într-o stare de echilibru, înălțimea creșterii capilare este determinată de formula Jurin:

unde r 1 și r 2 sunt densitățile lichidului 1 și ale mediului 2, g este accelerația gravitației, r este raza capilarului, q este unghiul de contact. Pentru lichidele care nu umezesc pereții capilari, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

Din expresia (2) rezultă definiția constantei capilare a lichidului O= 1/2. Are dimensiunea lungimii și caracterizează dimensiunea liniară Z[O, la care fenomenele capilare devin semnificative Deci, pentru apa la 20 ° C a = 0,38 cm La greutate slabă (g: 0). O crește. În zona de contact cu particulele, condensarea capilară duce la contracția particulelor sub acțiunea presiunii reduse Dp< 0.

Ecuația lui Kelvin.

Curbura suprafeței lichidului duce la o modificare a presiunii de echilibru a vaporilor deasupra acesteia r comparativ cu presiunea abur saturat ps deasupra unei suprafețe plane la aceeași temperatură T. Aceste modificări sunt descrise de ecuația Kelvin:

unde este volumul molar al lichidului, R este constanta gazului. Scăderea sau creșterea presiunii vaporilor depinde de semnul curburii suprafeței: deasupra suprafețelor convexe (r 0 > 0) p>ps; peste concav (r 0< 0) r< р s . . Astfel, deasupra picăturilor este crescută presiunea vaporilor; în bule, dimpotrivă, se reduce.

Pe baza ecuației Kelvin, se calculează umplerea capilarelor sau a corpurilor poroase la condensare capilară. Din moment ce valorile r sunt diferite pentru particule de diferite dimensiuni sau pentru zone ale suprafeței care au depresiuni și proeminențe, ecuația (3) determină și direcția transferului de substanță în timpul tranziției sistemului la o stare de echilibru. Acest lucru duce, în special, la faptul că picăturile sau particulele relativ mari cresc datorită evaporării (dizolvării) celor mai mici, iar neregularitățile de suprafață ale corpurilor necristaline sunt netezite datorită dizolvării proeminențelor și vindecării depresionelor. Diferențele vizibile de presiune a vaporilor și solubilitate apar numai la r 0 suficient de mic (pentru apă, de exemplu, la r 0. Prin urmare, ecuația Kelvin este adesea folosită pentru a caracteriza starea sistemelor coloidale și a corpurilor poroase și procesele din acestea.

Orez. 2. Mișcarea lichidului pe o lungime lîntr-un capilar cu raza r; q - unghiul de contact.

Impregnarea capilară.

O scădere a presiunii sub meniscurile concave este unul dintre motivele mișcării capilare a lichidului către meniscurile cu o rază de curbură mai mică. Un caz special în acest sens este impregnarea corpurilor poroase - absorbția spontană a lichidelor în porii liofili și capilare (Fig. 2). Viteză v mișcarea meniscului într-un capilar situat orizontal (sau într-un capilar vertical foarte subțire, când influența gravitației este mică) este determinată de ecuația Poiseuille:

Unde l- lungimea secțiunii de lichid absorbit, h - vâscozitatea acestuia, Dp - căderea de presiune în secțiune l, egală cu presiunea capilară a meniscului: Dp = - 2s 12 cos q/r. Dacă unghiul de contact q nu depinde de viteză v, se poate calcula cantitatea de lichid absorbita in timp t din raportul:

l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)

Dacă q este o funcție v, Asta lŞi v sunt conectate prin dependențe mai complexe.

Ecuațiile (4) și (5) sunt folosite pentru a calcula viteza de impregnare la tratarea lemnului cu antiseptice, vopsirea țesăturilor, aplicarea catalizatorilor pe medii poroase, extracția prin leșiere și difuzie a componentelor valoroase de rocă etc. Pentru a accelera impregnarea, surfactanții sunt adesea utilizate care îmbunătățesc umezirea prin reducerea unghiului de contact q. Una dintre opțiunile de impregnare capilară este deplasarea unui lichid dintr-un mediu poros cu altul, care nu se amestecă cu primul și udă mai bine suprafața porilor. Aceasta este baza, de exemplu, pentru metodele de extragere a uleiului rezidual din rezervoare solutii apoase Surfactanți, metode de porozimetrie cu mercur. Absorbția capilară în porii soluțiilor și deplasarea lichidelor nemiscibile din pori, însoțite de adsorbția și difuzia componentelor, sunt considerate de hidrodinamica fizico-chimică.

Pe lângă stările de echilibru descrise ale unui lichid și mișcarea acestuia în pori și capilare, fenomenele capilare includ și stări de echilibru ale unor volume foarte mici de lichid, în special straturi subțiri și pelicule. Aceste fenomene capilare sunt adesea numite fenomene capilare de tip II. Ele sunt caracterizate, de exemplu, prin dependența tensiunii superficiale a lichidului de raza picăturilor și de tensiunea liniară. Fenomenele capilare au fost studiate pentru prima dată de Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (secolul al XVII-lea) și J. Jurin (secolul al XVIII-lea) în experimente cu tuburi capilare. Teoria fenomenelor capilare a fost dezvoltată în lucrările lui P. Laplace (1806), T. Young (1804), A. Yu Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886). Dezvoltarea teoriei fenomenelor capilare de al doilea fel a început cu lucrările lui B.V. Deryagin și L.M. Shcherbakov.

Dacă îți place să bei cocktailuri sau alte băuturi dintr-un pai, probabil ai observat că atunci când unul dintre capete este scufundat în lichid, nivelul băuturii din acesta este puțin mai mare decât într-o ceașcă sau un pahar. De ce se întâmplă asta? De obicei oamenii nu se gândesc la asta. Dar fizicienii au putut de mult să studieze bine astfel de fenomene și chiar le-au dat propriul nume - fenomene capilare. A venit rândul nostru să aflăm de ce se întâmplă acest lucru și cum se explică acest fenomen.

De ce apar fenomene capilare?

În natură, tot ceea ce se întâmplă are o explicație rezonabilă. Dacă lichidul se umezește (de exemplu, apă într-un tub de plastic), se va ridica în sus, iar dacă nu se umezește (de exemplu, mercur într-un balon de sticlă), va coborî. Mai mult, cu cât raza unui astfel de capilar este mai mică, cu atât înălțimea lichidului va crește sau va coborî mai mare. Ce explică astfel de fenomene capilare? Fizica spune că ele apar ca urmare a influenței forțelor Dacă te uiți îndeaproape la stratul de suprafață de lichid dintr-un capilar, vei observa că forma acestuia este un fel de cerc. De-a lungul marginii sale, așa-numita tensiune superficială se exercită pe pereții tubului. Mai mult, pentru un lichid de umectare, vectorul său de direcție este îndreptat în jos, iar pentru un lichid care nu se umezește, este îndreptat în sus.

Potrivit celui de-al treilea, inevitabil provoacă o presiune opusă egală ca mărime cu aceasta. Aceasta este ceea ce face ca lichidul dintr-un tub îngust să se ridice sau să scadă. Aceasta explică tot felul de fenomene capilare. Cu toate acestea, probabil că mulți oameni au deja o întrebare logică: „Când se va opri creșterea sau scăderea lichidului?” Acest lucru se va întâmpla atunci când forța gravitației, sau forța lui Arhimede, echilibrează forța care face ca lichidul să se miște prin tub.

Cum pot fi utilizate fenomenele capilare?

Aproape fiecare elev este familiarizat cu una dintre aplicațiile acestui fenomen, care a devenit larg răspândit în producția de articole de papetărie. Probabil ai ghicit deja despre care vorbim

Designul său vă permite să scrieți în aproape orice poziție, iar semnul subțire și clar de pe hârtie a făcut de mult acest articol foarte popular în rândul fraternității de scris. de asemenea utilizat pe scară largă în agricultură pentru a regla mișcarea și a conserva umiditatea din sol. După cum știți, solul în care se cultivă culturile are o structură liberă, în care există spații înguste între particulele sale individuale. În esență, acestea nu sunt altceva decât capilare. Prin ele, apa curge spre sistemul radicular si asigura plantelor umiditatea necesara si sarurile benefice. Cu toate acestea, pe aceste căi, apa din sol se ridică și se evaporă destul de repede. Pentru a preveni acest proces, capilarele trebuie distruse. Tocmai de aceea solul este afânat. Și uneori apare situația opusă atunci când este necesară creșterea mișcării apei prin capilare. În acest caz, solul este rulat, iar din acest motiv numărul canalelor înguste crește. În viața de zi cu zi, fenomenele capilare sunt utilizate într-o varietate de circumstanțe. Utilizarea hârtiei absorbante, a prosoapelor și a șervețelelor, utilizarea fitilelor în și în tehnologie - toate acestea sunt posibile datorită prezenței canalelor lungi înguste în compoziția lor.

FENOMENE CAPILARE

FENOMENE CAPILARE

Fiz. fenomene cauzate de tensiunea superficială la interfaţa dintre mediile nemiscibile. Pentru K. I. de obicei se referă la fenomene din mediile lichide cauzate de curbura suprafeței lor adiacente unui alt lichid, gaz sau vapori proprii.

Curbarea suprafeței duce la apariția de aditivi în lichid. presiunea capilară Ap, a cărei valoare este legată de avg. curbura r a suprafeței ecuația Laplace:

Mișcarea lichidului în capilare poate fi cauzată de diferența de presiune capilară rezultată din descompunere. curbura suprafetei lichide. Fluxul lichidului este îndreptat spre presiune mai mică: pentru lichide umede - spre menisc cu o rază de curbură mai mică (Fig. 2, a).

S-a redus, în conformitate cu ecuația Kelvin, presiunea de vapori deasupra meniscurilor de umectare ale fenomenului. cauza condensării capilare a lichidelor în porii subțiri.

Presiunea capilară negativă are un efect contractant asupra pereților care conțin lichidul (Fig. 2, b).

Orez. 2. a - lichide într-un capilar sub influența unei diferențe de presiune capilară (r1>r2); b - efectul contractant al presiunii capilare (de exemplu, într-un capilar cu pereți elastici).

Acest lucru poate duce la. deformarea volumetrică este mare sisteme dispersate iar corpurile poroase – contractia capilara. Deci, de exemplu, creșterea rezultată a presiunii capilare în timpul uscării duce la următoarele: contracția materialelor.

Multe proprietăți ale sistemelor dispersate (permeabilitate, rezistență, absorbție de lichid) înseamnă. se datorează în mare parte energiei capilare, deoarece presiuni capilare mari sunt realizate în porii subțiri ai acestor corpuri.

K. I. au fost descoperite și studiate pentru prima dată de Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (secolul al XVII-lea) și J. Jurin (Djurin, secolul al XVIII-lea) în experimente cu tuburi capilare. Teoria lui K. I. dezvoltat în lucrările lui P. Laplace (1806), T. Young (Young, 1805), J. W. Gibbs (1875) și I. S. Gromeka (1879, 1886).

Fizic dicţionar enciclopedic. - M.: Enciclopedia Sovietică. . 1983 .

FENOMENE CAPILARE

- un ansamblu de fenomene cauzate de acțiunea tensiunii superficiale interfaciale la interfața dintre mediile nemiscibile; către K. I. de obicei se referă la fenomene din lichide cauzate de curbura suprafeței lor adiacente unui alt lichid, gaz sau propriu. feribotul. K. I. este un caz special de fenomene de suprafață. gravitaţie. Deci, de exemplu, la zdrobirea unui lichid într-un gaz (sau gaz într-un lichid), se formează picături sferice (bule). forme. Proprietățile sistemelor care conțin un număr mare de picături sau bule (emulsii, aerosoli lichizi, spume) și condițiile de formare a acestora sunt în mare măsură determinate de curbura suprafeței acestor formațiuni, adică de curbura. Rol mare K. I. Ele joacă, de asemenea, un rol în nucleare în timpul condensării aburului, fierberii lichidelor și cristalizării. umezind această suprafață cu lichid. Dacă se întâmplă acest lucru, adică lichidele 1 (Fig. 1) interacționează mai puternic cu suprafața corpului solid 3 , decât cu molecule de alt lichid (sau gaz) 2 , apoi, sub influența diferenței de forțe de interacțiune intermoleculară, lichidul se ridică de-a lungul peretelui vasului și adiacent corp solid suprafața lichidului va fi curbată. Hidrostatic presiunea cauzată de creșterea nivelului lichidului este echilibrată presiunea capilară - diferența de presiune deasupra și sub o suprafață curbă, a cărei mărime este legată de curbura locală a suprafeței lichidului.
unde r 1 și r 2 sunt densitățile lichidului 1 și gazului 2, s 12 este tensiunea superficială a interfeței, g- accelerația căderii libere, r-raza curburii medii a suprafeței meniscului (1 / r =1/R 1 +1/R 2, unde R 1 și R 2 sunt razele de curbură ale meniscului în două secțiuni reciproc perpendiculare avioane). Pentru lichid de umectare r<0 и h 0 >0. Lichidul neumeziv formează un menisc convex, presiunea capilară sub capilar este pozitivă, ceea ce duce la coborârea lichidului din capilar sub nivelul suprafata libera lichid (h 0<0). Радиус кривизны rсвязан с радиусом капилляра r к соотношением r=-r к /cosq, где q - краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра. а - величину, характеризующую размеры системы L<а, при к-рых становятся существенными К. я.: Pentru apa la temperatura de 20 °C a = 0,38 cm procese de condensare, evaporare si dizolvare capilara in prezenta unei suprafete curbate. Pentru absorbția capilară, o caracteristică importantă este ea v, determinată de mărimea presiunii capilare și rezistența vâscoasă la curgerea fluidului în capilar. Viteză v se modifică cu timpul de absorbție t, iar pentru un capilar situat vertical

Unde h(t) - poziţia meniscului la timp t(Fig. 1), h - coeficient. vâscozitatea fluidului. Când este absorbit într-un capilar orizontal

La v>10 -3 cm/s, dependența posibilă a unghiului de contact q pe v, iar în unele cazuri - rezistența vâscoasă a gazului (sau a altui lichid) deplasat din capilar Viteza de absorbție capilară joacă un rol în alimentarea cu apă a plantelor, mișcarea lichidului în sol și alte corpuri poroase. Impregnarea capilară este unul dintre cele mai comune procese chimice. tehnologii. fluctuațiile grosimii straturilor subțiri de lichid (jet, peliculă) sunt motivul instabilității acestora în raport cu starea picăturilor sau a condensatului capilar.

Pentru fluidele umede, fluxul de fluid este îndreptat către menisc cu o rază de curbură mai mică (adică, în direcția presiunii mai mici). Motivul mișcării capilare poate fi nu numai gradientul de curbură, ci și gradientul de tensiune superficială a lichidului. Astfel, gradientul de temperatură duce la o diferență de tensiune superficială și, în consecință, la o diferență de presiune capilară în lichid (termocapilar. curgere). Acest lucru explică și picăturile de bule de lichid și gaz într-un mediu încălzit neuniform: sub influența gradientului de tensiune superficială, suprafața bulelor sau picăturilor începe să se miște. Un efect similar este observat atunci când s 12 se modifică în timpul adsorbției surfactanți(surfactanți): Agenții tensioactivi reduc s 12 și lichidul se mișcă în direcția în care există mai puțin surfactant pe suprafața lichidului (efectul Marangoni-Gibbs). Curbura interfeței duce la o modificare a presiunii de echilibru a vaporilor r deasupra acestuia sau solubilitatea solidelor. Deci, de exemplu, peste picături de lichid r mai mare decât presiunea de saturație. pereche ps deasupra unei suprafețe lichide plane la aceeași temperatură T. Respectiv Cu particulele fine din mediu sunt mai mari decât solubilitatea c s suprafata plana a aceleiasi substante. Aceste modificări sunt descrise ecuația Kelvin, obţinut din condiţia de egalitate a chimiei. potenţiale în faze adiacente în stare termodinamică. echilibru:

Unde V- volumul molar al unui lichid sau solid. Pentru particule sferice g în abs. mărimea este egală cu raza lor. Retrogradare sau promovare rŞi Cu depinde, în conformitate cu (4), de semnul lui r (r>0 pentru cele convexe, iar r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p

Ecuația (4) determină direcția materiei (din valori mari rŞi Cu la cele mai mici) în timpul trecerii sistemului la starea termodinamică. echilibru. Acest lucru duce, în special, la faptul că picăturile mari (sau particulele) cresc datorită evaporării (dizolvării) celor mai mici, iar suprafețele neuniforme (cu condiția ca tensiunea interfacială să fie constantă) sunt netezite datorită evaporării (dizolvării) proeminențe și umplere de depresiuni. Diferențele vizibile de presiune și solubilitate apar numai la r suficient de mic (pentru apă, de exemplu, la |r|)