zjawiska kapilarne. Napięcie powierzchniowe

Warstwa wierzchnia płynu ma specjalne właściwości. Cząsteczki cieczy w tej warstwie znajdują się w bliskiej odległości od innej fazy - gazu. Cząsteczka znajdująca się w pobliżu granicy faz ciecz-gaz ma najbliższych sąsiadów tylko z jednej strony, więc suma wszystkich sił działających na tę cząsteczkę daje wypadkową skierowaną do wnętrza cieczy. Dlatego każda cząsteczka cieczy znajdująca się w pobliżu wolnej powierzchni ma nadmiar energii potencjalnej w porównaniu z cząsteczkami znajdującymi się wewnątrz.

Aby przenieść cząsteczkę z większości cieczy na powierzchnię, należy wykonać pracę. Gdy powierzchnia pewnej objętości cieczy wzrasta, wzrasta energia wewnętrzna cieczy. Ta składowa energii wewnętrznej jest proporcjonalna do powierzchni cieczy i nazywana jest energią powierzchniową. Wartość energii powierzchniowej zależy od sił oddziaływania molekularnego oraz liczby najbliższych sąsiednich cząsteczek. Dla różnych substancji energia powierzchniowa przyjmuje różne wartości. Energia warstwy powierzchniowej cieczy jest proporcjonalna do jej powierzchni: E= σ S

Wielkość siły F działającej na jednostkę długości granicy powierzchni określa napięcie powierzchniowe cieczy: σ = F/ L; σ- współczynnik napięcia powierzchniowego cieczy, N/m.

Najłatwiejszym sposobem uchwycenia charakteru sił napięcia powierzchniowego jest obserwowanie tworzenia się kropli przy luźno zamkniętym kurku. Przyjrzyj się uważnie, jak kropla stopniowo rośnie, tworzy się zwężenie - szyja i kropla odpadają. Warstwa powierzchniowa wody zachowuje się jak rozciągnięta elastyczna folia.

Możesz ostrożnie umieścić igłę do szycia na powierzchni wody. Folia powierzchniowa ugnie się i zapobiegnie zapadaniu się igły.

Z tego samego powodu lekkie owady - stąpające po wodzie mogą szybko ślizgać się po powierzchni wody. Odchylenie folii nie pozwala na wylanie wody, ostrożnie wlewa się do dość częstego sita.Tkanina to to samo sito utworzone przez przeplatanie nitek. Napięcie powierzchniowe bardzo utrudnia przesiąkanie wody, dzięki czemu tkanina nie jest od razu mokra. Pod wpływem sił napięcia powierzchniowego powstaje piana.

Zmiana napięcia powierzchniowego

Kiedy ciecz wchodzi w kontakt z ciałem stałym, zjawiskozwilżanie lub niezwilżający. Jeżeli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ciała stałego są większe niż między cząsteczkami cieczy, to ciecz rozchodzi się po powierzchni ciała stałego, tj. zwilża i odwrotnie, jeżeli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy są większe niż między cząsteczkami cieczy i ciała stałego, to ciecz zbiera się w postaci kropli i nie zwilża powierzchni cieczy.

zjawiska kapilarne.

W naturze często występują ciała o strukturze porowatej (przeniknięte wieloma małymi kanalikami). Papier, skóra, drewno, ziemia i wiele materiałów budowlanych ma tę strukturę. Woda lub inna ciecz spadająca na takie ciało stałe może zostać w nim wchłonięta, unosząc się na dużą wysokość. W ten sposób wilgoć unosi się w łodygach roślin, nafta unosi się przez knot, a tkanina wchłania wilgoć. Takie zjawiska nazywane są kapilarami.

W wąskiej cylindrycznej rurce ciecz zwilżająca unosi się pod wpływem sił oddziaływania molekularnego, przybierając kształt wklęsły. Pod powierzchnią wklęsłą pojawia się dodatkowe ciśnienie skierowane do góry, przez co poziom cieczy w kapilarze jest wyższy niż poziom powierzchni swobodnej. Niezwilżająca ciecz przyjmuje wypukłą powierzchnię. Pod wypukłą powierzchnią cieczy powstaje odwrotne dodatkowe ciśnienie skierowane w dół, tak że poziom cieczy z wypukłym meniskiem jest niższy niż poziom powierzchni swobodnej.

Wartość docisku jest równa p= 2 σ / R

Ciecz w kapilarze unosi się na taką wysokość, że ciśnienie słupa cieczy równoważy nadciśnienie. Wysokość wznoszenia się cieczy w kapilarze wynosi: h = 2 σ / ρgr

Adsorpcja - zjawisko podobne do zwilżania, obserwuje się w przypadku kontaktu fazy stałej i gazowej. Jeśli siły oddziaływania między cząsteczkami ciała stałego i gazu są duże, ciało pokryte jest warstwą cząsteczek gazu. Substancje porowate mają dużą zdolność adsorpcji. Zdolność węgla aktywnego do adsorpcji dużej ilości gazu jest wykorzystywana w maskach przeciwgazowych, w przemyśle chemicznym i medycynie.

Wartość napięcia powierzchniowego

Pojęcie napięcia powierzchniowego zostało po raz pierwszy wprowadzone przez J. Segnera (1752). W I połowie XIX wieku. w oparciu o koncepcję napięcia powierzchniowego opracowano matematyczną teorię zjawisk kapilarnych (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). W 2 poł. XIX wieku. J. Gibbs opracował termodynamiczną teorię zjawisk powierzchniowych, w której decydującą rolę odgrywa napięcie powierzchniowe. Wśród aktualnych aktualnych problemów jest rozwój molekularnej teorii napięcia powierzchniowego różnych cieczy, w tym stopionych metali. Siły napięcia powierzchniowego odgrywają istotną rolę w zjawiskach naturalnych, biologii, medycynie, różnych nowoczesnych technologiach, druku, inżynierii i fizjologii naszego ciała. Bez tych uprawnień nie bylibyśmy w stanie pisać atramentem. Zwykłe pióro nie nabierałoby atramentu z kałamarza, ale automatyczne natychmiast robiłoby dużą plamę, opróżniając cały zbiornik. Nie dałoby się umyć rąk: piana by się nie utworzyła. Naruszony zostałby reżim wodny gleby, co byłoby katastrofalne dla roślin. Ucierpiałyby ważne funkcje naszego organizmu. Przejawy sił napięcia powierzchniowego są tak różnorodne, że nie sposób ich wszystkich wymienić.

W medycynie mierzy się dynamiczne i równowagowe napięcie powierzchniowe surowicy krwi żylnej, które można wykorzystać do diagnozowania choroby i kontrolowania prowadzonego leczenia. Stwierdzono, że woda o niskim napięciu powierzchniowym jest biologicznie bardziej dostępna. Łatwiej wchodzi w interakcje molekularne, dzięki czemu komórki nie będą musiały zużywać energii na pokonanie napięcia powierzchniowego.

Wolumen druku na foliach polimerowych stale rośnie ze względu na szybki rozwój branży opakowaniowej, duże zapotrzebowanie na towary konsumpcyjne w kolorowych opakowaniach polimerowych. Ważnym warunkiem właściwego wdrożenia takich technologii jest precyzyjne określenie warunków ich wykorzystania w procesach poligraficznych. W druku konieczna jest obróbka plastiku przed drukowaniem, aby farba spadła na materiał. Powodem jest napięcie powierzchniowe materiału. Wynik zależy od tego, w jaki sposób ciecz zwilża powierzchnię produktu. Zwilżanie jest uważane za optymalne, gdy kropla płynu pozostaje w miejscu, w którym została nałożona. W innych przypadkach płyn może zwijać się w kroplę lub odwrotnie rozpływać się. Oba przypadki w równym stopniu prowadzą do negatywnych wyników podczas przenoszenia atramentu.

Kilka wniosków:

ZJAWISKA KAPILARNE

ZJAWISKA KAPILARNE

Fiz. zjawiska wywołane napięciem powierzchniowym na granicy niemieszających się mediów. Do K.I. zwykle obejmują zjawiska w ciekłych ośrodkach spowodowane krzywizną ich powierzchni, która graniczy z inną cieczą, gazem lub własną parą.

Krzywizna powierzchni prowadzi do pojawienia się dodatków w cieczy. ciśnienie kapilarne Ar, którego wartość jest powiązana z por. krzywizna r powierzchni równaniem Laplace'a:

Ruch płynu w kapilarach może być spowodowany różnicą ciśnień kapilarnych wynikającą z rozszerzania. krzywizna powierzchni cieczy. Przepływ cieczy kierowany jest w kierunku niższego ciśnienia: dla zwilżania cieczy, w kierunku menisku o mniejszym promieniu krzywizny (rys. 2a).

Zmniejszone, zgodnie z równaniem Kelvina, ciśnienie pary nad zwilżającą łąkotką yavl. powodują kapilarną kondensację cieczy w cienkich porach.

Ujemne ciśnienie kapilarne działa zwężająco na ścianki ograniczające przepływ cieczy (ryc. 2b).

Ryż. 2. a - ciecze w kapilarze pod działaniem różnicy ciśnień kapilarnych (r1>r2); b - efekt kurczenia ciśnienia kapilarnego (np. w kapilarze o elastycznych ściankach).

To może prowadzić do sensu. deformacja objętościowa układów silnie zdyspergowanych i ciał porowatych - skurcz kapilarny. Tak więc na przykład ciągły wzrost ciśnienia kapilarnego podczas suszenia prowadzi do znacznej skurcz materiałów.

Wiele właściwości układów zdyspergowanych (przepuszczalność, wytrzymałość, nasiąkliwość) oznacza. W pewnym stopniu są spowodowane przez K. Ya., ponieważ w cienkich porach tych ciał powstają wysokie ciśnienia kapilarne.

K. i. zostały po raz pierwszy odkryte i zbadane przez Leonarda da Vinci (1561), B. Pascala (XVII w.) i J. Zhurena (Dzhurin, XVIII w.) w eksperymentach z kapilarami. Teoria K.I. rozwinęła się w pracach P. Laplace'a (1806), T. Younga (Young, 1805), J. W. Gibbsa (1875) i I. S. Gromeki (1879, 1886).

Fizyczny słownik encyklopedyczny. - M.: Encyklopedia radziecka. . 1983 .

ZJAWISKA KAPILARNE

- zespół zjawisk spowodowanych działaniem międzyfazowego napięcia powierzchniowego na granicy niemieszających się ośrodków; do K.i. zwykle obejmują zjawiska w cieczach spowodowane krzywizną ich powierzchni, graniczące z inną cieczą, gazem lub właściwym. prom. K. Ya jest szczególnym przypadkiem zjawisk powierzchniowych. siła grawitacji. Na przykład podczas kruszenia cieczy w gazie (lub gazu w cieczy) powstają kropelki (pęcherzyki). formularze. Właściwości układów zawierających dużą liczbę kropel lub pęcherzyków (emulsje, aerozole ciekłe, pianki) oraz warunki ich powstawania są w dużej mierze zdeterminowane krzywizną powierzchni tych formacji, czyli K.I. Duża rola K.I. Odgrywają również rolę w zarodkowaniu podczas kondensacji pary, wrzenia cieczy i krystalizacji. płynne zwilżanie tej powierzchni. Jeśli tak jest, to znaczy, że ciecze 1 (rys. 1) silniej oddziałują z powierzchnią ciała stałego 3 , niż cząsteczkami innej cieczy (lub gazu) 2 , wówczas pod wpływem różnicy sił oddziaływań międzycząsteczkowych ciecz unosi się wzdłuż ściany naczynia i odcinek powierzchni cieczy przylegający do ciała stałego ulegnie zakrzywieniu. Hydrostatyczny ciśnienie spowodowane wzrostem poziomu cieczy jest zrównoważone ciśnienie kapilarne - różnica ciśnień nad i pod zakrzywioną powierzchnią, której wartość jest związana z lokalną krzywizną powierzchni cieczy.
gdzie r 1 i r 2 są gęstościami cieczy 1 i gazu 2, s 12 jest napięciem międzyfazowym, g- przyspieszenie grawitacyjne, r jest promieniem średniej krzywizny powierzchni menisku (1 / r \u003d 1 / R 1 + 1 / R 2, gdzie R 1 i R 2 są promieniami krzywizny menisku w dwóch wzajemnie prostopadłych przekrojach samoloty). Do zwilżania płynem r<0 и h 0 >0. Niezwilżająca ciecz tworzy wypukły menisk, ciśnienie kapilarne pod Krymem jest dodatnie, co prowadzi do obniżenia cieczy w kapilarze poniżej poziomu swobodnej powierzchni cieczy (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.: W przypadku wody o temperaturze 20 ° C a \u003d 0,38, patrz procesy kondensacji kapilarnej, parowania i rozpuszczania w obecności zakrzywionej powierzchni. Ważną cechą wchłaniania kapilarnego jest jego w, określana przez wartość ciśnienia kapilarnego i lepkiego oporu przepływu płynu w kapilarze. Prędkość v zmiany wraz z czasem wchłaniania T, i dla pionowej kapilary

gdzie h(t) - pozycja menisku w czasie T(ryc. 1), h - współczynnik. lepkość płynu. Po wchłonięciu przez poziomą kapilarę

Na v>10 -3 cm/s należy brać pod uwagę możliwą zależność kąta zwilżania q od v, aw niektórych przypadkach - lepki opór gazu (lub innej cieczy) wypartej z kapilary Szybkość wchłaniania kapilarnego odgrywa rolę w zaopatrywaniu roślin w wodę, przepływie płynu w glebie i innych ciałach porowatych. Impregnacja kapilarna to jeden z najczęstszych procesów chemicznych. technologia. wahania grubości cienkich warstw cieczy (strumienia, filmu) - są przyczyną ich niestabilności w stosunku do stanu kropel lub kondensatu kapilarnego.

W przypadku cieczy zwilżających przepływ cieczy jest kierowany w kierunku menisku o mniejszym promieniu krzywizny (tj. w kierunku niższego ciśnienia). Przyczyną ruchu kapilarnego może być nie tylko gradient krzywizny, ale także gradient napięcia powierzchniowego cieczy.Gradient temperatury prowadzi więc do różnicy napięcia powierzchniowego, a w konsekwencji do różnicy ciśnienia kapilarnego w ciecz (przepływ termokapilarny). Wyjaśnia to również kropelki cieczy i pęcherzyki gazu w nierównomiernie nagrzanym medium: pod wpływem gradientu napięcia powierzchniowego powierzchnia pęcherzyków lub kropli zaczyna się poruszać. Podobny efekt obserwuje się również, gdy s 12 zmienia się podczas adsorpcji surfaktanty(SAW): SAW zmniejsza s 12, a ciecz porusza się w kierunku, w którym surfaktant na powierzchni cieczy jest mniejszy (efekt Marangoni-Gibbs). Krzywizna granicy faz prowadzi do zmiany wartości równowagowej prężności par r powyżej lub rozpuszczalność ciał stałych. Na przykład nad kroplami płynu r wyższe niż ciśnienie nasycenia. para ps nad płaską powierzchnią cieczy w tej samej temperaturze T. Odpowiednio od drobne cząstki w środowisku są wyższe niż rozpuszczalność c s płaska powierzchnia tej samej substancji. Te zmiany są opisane równanie Kelvina, otrzymany z warunku równości chemicznej. potencjały w sąsiednich fazach w stanie termodynamicznym. równowaga:

gdzie V- molowa objętość cieczy lub ciała stałego. Dla cząstek kulistych gw abs. większy niż ich promień. Spadek lub awans r I od zależy, zgodnie z (4), od znaku r (r>0 dla wypukłego, a r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p

Równanie (4) określa kierunek materii (z dużych wartości r I od na mniejsze) w procesie przechodzenia układu do stanu termodynamicznego. balansować. Prowadzi to w szczególności do tego, że duże krople (lub cząstki) rosną w wyniku parowania (rozpuszczania) mniejszych, a nierówne powierzchnie (pod warunkiem stałego napięcia międzyfazowego) są wygładzane w wyniku parowania (rozpuszczania). ) występów i wypełnienia zagłębień. Istotne różnice w ciśnieniu i rozpuszczalności mają miejsce tylko przy dostatecznie małym r (dla wody np. w |r|)