Капілярні явища. Поверхневий натяг

Поверхневий шар рідини має особливі властивості. Молекули рідини у цьому шарі знаходяться у безпосередній близькості від іншої фази – газу. Молекула, розташована поблизу межі розділу рідина - газ, має найближчих сусідів тільки з одного боку, тому складання всіх сил, що діють на цю молекулу, дає рівнодіючу, спрямовану всередину рідини. Отже, будь-яка молекула рідини, що знаходиться поблизу вільної поверхні, має надлишок потенційної енергії порівняно з молекулами, що знаходяться всередині.

Для того, щоб перевести молекулу з об'єму рідини на поверхню, необхідно здійснити роботу. Збільшення поверхні певного обсягу рідини внутрішня енергія рідини збільшується. Ця складова внутрішньої енергії пропорційна площі поверхні рідини і називається поверхневою енергією. Величина поверхневої енергії залежить від сил молекулярної взаємодії та кількості найближчих сусідніх молекул. Для різних речовин поверхнева енергія набуває різних значень. Енергія поверхневого шару рідини пропорційна його площі: Е = σ · Ѕ

Величина сили F, що діє на одиницю довжини межі поверхні, визначає поверхневий натяг рідини: σ = F/ L; σ- коефіцієнт поверхневого натягу рідини, Н/м.

Найпростіше вловити характер сил поверхневого натягу, спостерігаючи утворення краплі у нещільно закритого крана. Придивіться уважно, як поступово зростає крапля, утворюється звуження - шийка і крапля відривається. Поверхневий шар води поводиться як розтягнута еластична плівка.

Можна обережно покласти швейну голку на поверхню води. Поверхнева плівка прогнеться і дасть голці потонути.

З цієї причини легкі комахи – водомірки можуть швидко ковзати по поверхні води. Прогин плівки не дозволяє виливатися воді, обережно налитій в досить часто решето. Тканина - це те ж решето, утворене переплетенням ниток. Поверхневе натяг сильно ускладнює просочування води крізь неї, і тому тканина не промокає миттєво. Завдяки силам поверхневого натягу відбувається утворення піни.

Зміна поверхневого натягу

При дотику рідини з твердим тілом спостерігається явищезмочування або незмочування.Якщо сили взаємодії між молекулами рідини та твердого тіла більші, ніж між молекулами рідини, то рідина розтікається поверхнею твердого тіла, тобто. змочує і навпаки, якщо сили взаємодії між молекулами рідини більші, ніж між молекулами рідини та твердого тіла, то рідина збирається в краплю і не змочує поверхню рідини.

Капілярні явища.

У природі часто зустрічаються тіла, що мають пористу будову (пронизані безліччю дрібних каналів). Таку структуру мають папір, шкіра, дерево, ґрунт, багато будівельних матеріалів. Вода або інша рідина, потрапляючи на таке тверде тіло, може вбиратися в нього, піднімаючись на велику висоту. Так піднімається волога в стеблах рослин, гас піднімається за ґнотом, тканина вбирає вологу. Такі явища називають капілярними.

У вузькій циліндричній трубці рідина, що змочує, за рахунок сил молекулярної взаємодії піднімається вгору, приймаючи увігнуту форму. Під увігнутою поверхнею з'являється додатковий тиск, спрямований вгору, у зв'язку з чим рівень рідини в капілярі вище за рівень вільної поверхні. Несмачивающая ж рідина приймає опуклу поверхню. Під опуклою поверхнею рідини виникає зворотний додатковий тиск, спрямований вниз, тому рівень рідини з опуклим меніском нижче, ніж рівень вільної поверхні.

Величина додаткового тиску дорівнює p=2σ/R

Рідина в капілярі піднімається таку висоту, щоб тиск стовпа рідини врівноважив надлишковий тиск. Висота підйому рідини у капілярі дорівнює: h = 2 σ / ρgr

Адсорбція - явище аналогічне змочування, спостерігається при дотику твердої та газоподібної фаз. Якщо сили взаємодії між молекулами твердого тіла та газу великі, тіло покривається шаром молекул газу. Велику адсорбційну здатність мають пористі речовини. Властивість активованого вугілля адсорбувати велику кількість газу використовують у протигазах, у хімічній промисловості, у медицині.

Значення поверхневого натягу

Поняття поверхневого натягу вперше запровадив Я. Сегнер (1752). У 1-ій половині 19 ст. на основі уявлення про поверхневе натяг було розвинено математичну теорію капілярних явищ (П. Лаплас, С. Пуассон, К. Гаусс, А. Ю. Давидов). У другій половині 19 ст. Дж. Гіббс розвинув термодинамічну теорію поверхневих явищ, у якій вирішальну роль відіграє поверхневий натяг. Серед актуальних сучасних проблем - розвиток молекулярної теорії поверхневого натягу різних рідин, включаючи розплавлені метали. Сили поверхневого натягу відіграють істотну роль явищах природи, біології, медицині, у різних сучасних технологіях, поліграфії, техніці, у фізіології нашого організму. Без цих сил ми не могли б писати чорнилом. Звичайна ручка не зачерпнула б чорнила з чорнильниці, а автоматична відразу поставила б велику ляпку, спорожнивши весь свій резервуар. Не можна було намилити руки: піна не утворилася б. Порушився б водний режим ґрунту, що виявилося б згубним для рослин. Постраждали б найважливіші функції нашого організму. Прояви сил поверхневого натягу настільки різноманітні, що навіть перерахувати їх немає можливості.

У медицині вимірюють динамічний і рівноважний поверхневий натяг сироватки венозної крові, за якими можна діагностувати захворювання і вести контроль над лікуванням. Встановлено, що вода з низьким поверхневим натягом більш доступна біологічно. Вона легше вступає у молекулярні взаємодії, тоді клітинам не треба буде витрачати енергію на подолання поверхневого натягу.

Безперервно зростають обсяги друку на полімерних плівках завдяки бурхливому розвитку пакувальної індустрії, високому попиту на споживчі товари в барвистій полімерній упаковці. Важлива умова грамотного впровадження подібних технологій – точне визначення умов їх застосування у поліграфічних процесах. У поліграфії обробка пластику перед печаткою потрібна для того, щоб фарба лягала на матеріал. Причина полягає у поверхневому натягу матеріалу. Результат визначається тим, як рідина змочує поверхню виробу. Змочування вважається оптимальним, коли крапля рідини залишається там, де вона була нанесена. В інших випадках рідина може скочуватися в краплю або, навпаки, розтікатися. Обидва випадки однаково призводять до негативних результатів під час перенесення фарби.

Деякі висновки:

Капілярні явища

Капілярні явища

Фіз. явища, обумовлені поверхневим натягом на межі розділу середовищ, що не змішуються. До К. я. відносять зазвичай явища в рідких середовищах, викликані викривленням їх поверхні, що межує з ін рідиною, газом або власною парою.

Викривлення поверхні веде до появи рідини доповнить. капілярного тиску Ар, величина якого пов'язана з порівн. кривизною r поверхні ур-ням Лапласа:

Рух рідини в капілярах може бути викликаний різницею капілярних тисків, що виникає в результаті разл. кривизни поверхні рідини. Потік рідини спрямований у бік меншого тиску: для рідин, що змочують, - до меніска з меншим радіусом кривизни (рис. 2, а).

Знижений, відповідно до Кельвіна рівнянням, тиск пари над змочують меніски явл. причиною капілярної конденсації рідин у тонких порах.

Негативний капілярний тиск надає стягуючу дію на стінки, що обмежують рідину (рис. 2, б).

Рис. 2. а - рідини в капілярі під дією різниці капілярних тисків (r1> r2); б - стягує дію капілярного тиску (напр., у капілярі з еластичними стінками).

Це може призводити до значить. об'ємної деформації високодисперсних систем та пористих тіл – капілярної контракції. Так, напр., що відбувається зростання капілярного тиску при висушуванні призводить до значить. усадці матеріалів.

Багато св-ва дисперсних систем (проникність, міцність, поглинання рідини) означає. мірою обумовлені До. я., т. до. в тонких порах цих тіл реалізуються високий капілярний тиск.

я. вперше було відкрито й досліджено Леонардо да Вінчі (1561), Б. Паскалем (17 в.) та Дж. Жюреном (Джурін, 18 в.) у дослідах з капілярними трубками. Теорія К. я. розвинена в роботах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (Янг, 1805), Дж. У. Гіббса (1875) та І. С. Громеки (1879, 1886).

Фізичний енциклопедичний словник. - М: Радянська енциклопедія. . 1983 .

Капілярні явища

- сукупність явищ, обумовлених дією міжфазного поверхневого натягу на межі розділу середовищ, що не змішуються; до К. я. зазвичай відносять явища в рідинах, викликані викривленням їх поверхні, що межує з ін рідиною, газом або власністю. пором. частковий випадок поверхневих явищ. сила тяжіння. Так, напр., при дробленні рідини в газі (або газу в рідині) утворюються краплі (бульбашки) сферич. форми. Властивості систем, що містять велику кількість крапель або бульбашок (емульсії, рідкі аерозолі, піни), і умови їх формування багато в чому визначаються кривизною поверхні цих утворень, тобто К. я. Велику роль К. я. грають і в зародку утворення при конденсації пари, кипінні рідин, кристалізації. змочування рідиною цієї поверхні. Якщо має місце , тобто рідини 1(рис. 1) сильніше взаємодіють із поверхнею твердого тіла 3 , ніж з молекулами ін рідини (або газу) 2 , то під впливом різниці сил міжмолекулярної взаємодії рідина піднімається по стінці судини і ділянку поверхні рідини, що примикає до твердого тіла, буде викривлена. Гідростатіч. тиск, викликаний підйомом рівня рідини, врівноважується капілярним тиском -різницею тисків над і під викривленою поверхнею, величина якого пов'язана з локальною кривизною поверхні рідини.
де r 1 і r 2 - щільності рідини 1і газу 2,s 12 - міжфазний поверхневий натяг, g-прискорення вільного падіння, r-радіус середньої кривизни поверхні меніска (1 / r =1/R 1 +1/R 2 де R 1 і R 2 - радіуси кривизни меніска в двох взаємно перпендикулярних площинах перерізу). Для змочуючої рідини r<0 и h 0 >0. Несмачивающая рідина утворює опуклий меніск, капілярний тиск під яким позитивно, що призводить до опускання рідини в капілярі нижче рівня вільної поверхні рідини (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.: Для води за темп-ре 20 °З а=0,38 див. капілярна конденсація, процеси випаровування і розчинення за наявності викривленої поверхні. Для капілярного поглинання важливою характеристикою є його v,визначається величиною капілярного тиску і в'язким опором перебігу рідини в капілярі. Швидкість vзмінюється з часом вбирання t,і для вертикально розташованого капіляра

де h(t) -становище меніска в момент часу t(Рис. 1), h - Коеф. в'язкості рідини. При вбиранні у горизонтальний капіляр

При v>10 -3 см/с слід враховувати можливу залежність крайового кута q від v, А в деяких випадках - в'язкий опір витісняється з капіляра газу (або ін рідини). Швидкість капілярного вбирання грає істот, що у водопостачанні рослин, русі рідини в ґрунтах та ін пористих тілах. Капілярне просочення - один з поширених процесів хім. технології. Флуктуація товщини тонких шарів рідини (струмені, плівки) - є причиною їх нестійкості по відношенню до стану крапель або капілярного конденсату.

Для змочують рідин потік рідини направлений до меніска з меншим радіусом кривизни (тобто у бік меншого тиску). Причиною капілярного пересування може бути не тільки градієнт кривизни, а й градієнт поверхневого натягу рідини Так, градієнт температури призводить до різниці поверхневого натягу і, отже, до різниці капілярного тиску в рідині (термокапілярне протягом). Цим же пояснюється крапель рідини і бульбашок газу в нерівномірно нагрітому середовищі: під впливом градієнта поверхневого натягу починає рухатися поверхня бульбашок або крапель. Аналогічний ефект спостерігається при зміні s 12 при адсорбції поверхнево-активних речовин(ПАВ): ПАВ знижують s 12 і рідина переміщається в тому напрямку, де ПАР на поверхні рідини менше (ефект Марангоні – Гіббса). Викривлення поверхні розділу фаз призводить до зміни величини рівноважного тиску пари рнад нею чи розчинності твердих тіл. Так, наприклад, над краплями рідини рвище, ніж тиск насич. пара p sнад плоскою поверхнею рідини при тій же температурі Т.Відповідно здрібних частинок у навколишньому середовищі вище, ніж розчинність c sплоскої поверхні тієї ж речовини. Ці зміни описуються Кельвіна рівнянням,отриманим за умови рівності хім. потенціалів у суміжних фазах у стані термодинаміч. рівноваги:

де V -молярний об'єм рідини чи твердого тіла. Для кулястих частинок г абс. величніше і їх радіусу. Зниження чи підвищення рі ззалежить, відповідно (4), від знака r (r>0 для опуклих, і r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p

Ур-ня (4) визначає напрямок речовини (від великих значень рі здо менших) у процесі переходу системи до стану термодинаміч. рівноваги. Це призводить, зокрема, до того, що великі крапельки (або частинки) ростуть за рахунок випаровування (розчинення) дрібніших, а нерівні поверхні (за умови сталості міжфазного натягу) згладжуються рахунок випаровування (розчинення) виступів і заповнення западин. Помітні відмінності тиску і розчинності мають місце лише за досить малих r(для води, напр., при |r|)