Каппилярность жидкости

Мы живём в мире удивительных природных явлений. Их множество, мы встречаемся с ними каждый день, не задумываясь о сущности. Но человек как разумный феномен должен понимать суть этих явлений. Такие явления как капиллярность, смачивание и несмачивание, капиллярное явление широко распространены в природе и технике. Они важны как в повседневной жизни, так и для решения важнейших научно-технических задач. Знания по этим вопросам позволяют ответить на многие вопросы. Например, почему капля в свободном полете, планеты и звезды имеют шарообразную форму, что такое флотация и где она нашла применение, почему одни твердые тела хорошо смачиваются жидкостью, другие плохо, что капиллярные явления позволяют всасывать питательные элементы, влагу из почвы корневой системой растительности, что кровообращение в живых организмах основано на капиллярном явлении и т. д.

1. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение

Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком (рис. 1).

Рисунок 1. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 — вода; 2 — лед

Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах.

Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ДV / V₀ пропорционально изменению температуры ДT:

Коэффициент в называют температурным коэффициентом объемного расширения Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °C вода расширяется. Максимум плотности с_в = 10³ кг/м³ вода имеет при температуре 4 °C.

При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °C. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °C. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов.

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости (рис. 1).

Рис. 1

Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т.е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ДA_внеш, пропорциональную изменению ДS площади поверхности:

ДAвнеш = уДS.

Коэффициент у называется коэффициентом поверхностного натяжения (у > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м²) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м²).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия E_p поверхности жидкости пропорциональна ее площади:

Ep = Aвнеш = уS

Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму.

Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т.е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.

Так как всякая система самопроизвольно переходит в состояние, при котором ее потенциальная энергия минимальна, то жидкость должна самопроизвольно переходить в такое состояние, при котором площадь ее свободной поверхности имеет наименьшую величину. Это можно показать с помощью следующего опыта.

На проволоке, изогнутой в виде буквы П, укрепляют подвижную поперечину / (рис. 3). Полученную таким образом рамку затягивают мыльной пленкой, опуская рамку в мыльный раствор. После вынимания рамки из раствора поперечина / перемещается вверх, т. е. молекулярные силы действительно уменьшают площадь свободной поверхности жидкости.

Поскольку при одном и том же объеме наименьшая площадь поверхности имеется у шара, жидкость в состоянии невесомости принимает форму шара. По этой же причине маленькие капли жидкости имеют шарообразную форму. Форма мыльных пленок на различных каркасах всегда соответствует наименьшей площади свободной поверхности жидкости.

2. «Опыт Плато»

Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости — шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если сосуда нет, либо же принимает форму сосуда. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость принимает естественную, шарообразную форму.

Оливковое масло всплывает в воде, но тонет в спирте. Можно приготовить такую смесь воды и спирта, в которой масло будет находиться в равновесии. Введём с помощью стеклянной трубки или шприца в эту смесь немного оливкового масла: масло соберётся в одну шарообразную каплю, которая будет висеть неподвижно в жидкости. Если пропустить через центр масляного шара проволоку и вращать её, то масляный шар начинает сплющиваться, а затем, через несколько секунд, от него отделяется кольцо из маленьких шарообразных капелек масла. Этот опыт впервые произвел бельгийский физик Плато.

В гигантских масштабах такое явление можно наблюдать у нашей звезды Солнца и планет-гигантов. Вращаются эти небесные тела вокруг своей оси очень быстро. В результате такого вращения тела очень сильно сжаты у полюсов.

3. Явления смачивания и несмачивания. Краевой угол

Если опустить стеклянную палочку в ртуть и затем вынуть ее, то ртути на ней не окажется. Если же эту палочку опустить в воду, то после вытаскивания на ее конце останется капля воды. Этот опыт показывает, что молекулы ртути притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стекла, а молекулы воды притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам стекла.

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество. Ртуть не смачивает стекло, однако она смачивает чистые медь и цинк.

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так, как показано на рис. 5 (а), либо так, как показано на рис. 5 (б).

Рис. 5 (а) Рис. 5 (б) В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором — нет. Отмеченный на рис. 5 угол и называют краевым углом. Краевой угол образуется плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к свободной поверхности жидкости, где граничат твердое тело, жидкость и газ; внутри краевого угла всегда находится жидкость. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для не смачивающих — тупой. Чтобы действие силы тяжести не искажало краевой угол, каплю надо брать как можно меньше.

Поскольку краевой угол и сохраняется при вертикальном положении твердой поверхности, то смачивающая жидкость у краев сосуда, в который она налита, приподнимается, а несмачивающая жидкость опускается Рис. 6

При полном смачивании и = 0, cos и = 1.

Капиллярность (от лат. capillaris — волосяной), движение жидкости по узкому отверстию, вызванное поверхностным натяжением между жидкостью и окружающим ее материалом. Чаще всего это явление наблюдается в вертикально поставленных узких стеклянных трубках, так называемых капиллярных трубках, но может происходить и по другим направлениям, как, например, при впитывании воды губкой или промокательной бумагой.

Капиллярность Сцепление между жидкостью и твердым телом приводит к тому, что поверхность жидкости в месте контакта изгибается под определенным углом. Вода изгибается вверх при контакте со стеклом, сила сцепления действует на поверхность воды и вызывает ее подъем. Подъемная сила пропорциональна окружности поверхности воды; в узкой трубке эта сила достигает достаточной величины, чтобы столбик воды начал подниматься.

Капиллярный эффект — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей 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.

Благодаря капиллярности возможны жизнедеятельность животных и растений, различные химические процессы, 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 называются тонкие трубки, а также самые тонкие сосуды в организме человека и других животных.

Области применения

Капиллярный эффект используется в неразрушающем контроле (капиллярный контроль или контроль проникающими веществами) для выявления дефектов, имеющих выход на поверхность контролируемого изделия. Позволяет выявлять трещины с раскрытием от 1 мкм, которые не видны невооруженным глазом.

5. Менимск (от греч. менйкпт — полумесяц) — искривлённая свободная поверхность жидкости в месте её соприкосновения с поверхностью твёрдого тела. Образуется у стенок сосудов, в каналах-порах губчатых тел, пропитанных жидкостью, и т. д.

В тонкой трубке (капилляре) мениск имеет сферическую форму, в достаточно узком зазоре между плоскими пластинами — цилиндрическую. Кривизна мениска определяется соотношением сил межмолекулярного взаимодействия на границе трёх фаз — твёрдого тела, жидкости и газа.

A: Вогнутый мениск. B: Выпуклый мениск.

Жидкость, смачивающая данную поверхность, образует вогнутый мениск, не смачивающая — выпуклый. В первом случае взаимное притяжение молекул жидкости слабее их притяжения молекулами поверхности твёрдого тела. Во втором, наоборот. Давление паров над вогнутым мениском ниже, а над выпуклым выше, чем над плоской поверхностью жидкости. Этим объясняются, например, явление капиллярной конденсации, капиллярное всасывание жидкости в пористые и волокнистые материалы, поднятие или опускание жидкости по тонким трубкам.

6. Капиллярные явления в природе и технике

жидкость натяжение капиллярный смачивание Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра — капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, не смачивающие — опускаются.

Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей F_н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: F_т = F_н, где F_т = mg = сhрr²g, F_н = у2рr cos и.

Отсюда следует:

Искривление поверхности жидкости в узких трубках приводит к кажущемуся нарушению закона сообщающихся сосудов.

Из формулы видно, что высота h тем больше, чем меньше внутренний радиус трубки ч. Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капиллярами. Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх, а несмачивающая — опускается вниз. Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающих жидкостей из капилляров, называются к, а пиллярными явлениям и.

Капиллярные явления можно наблюдать не только в трубках, но и в узких щелях. Если опустить в воду две стеклянные пластины так, чтобы между ними образовалась узкая щель, то вода между пластинами поднимется, и тем выше, чем ближе они расположены. Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В деревьях по капиллярам влага из почвы поднимается до вершин деревьев, где через листья испаряется в атмосферу. В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. Вода по этим капиллярам поднимается до поверхности и быстро испаряется, а земля становится сухой. Ранняя весенняя вспашка земли разрушает капилляры, т. е. сохраняет подпочвенную влагу и увеличивает урожай.

В технике капиллярные явления имеют огромное значение, например, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т. п. Большое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капилляров. В бумажной промышленности приходится учитывать капиллярность при изготовлении различных сортов бумаги. Например, при изготовлении писчей бумаги ее пропитывают специальным составом, закупоривающим капилляры. В быту капиллярные явления используют в фитилях, в промокательной бумаге, в перьях для подачи чернил и т. п.

Содержание и метод выполнения Всякая жидкость, освобождённая от действия силы тяжести, принимает свою естественную форму — шарообразную. Падая, капли дождя принимают форму шариков, дробинки — это застывшие капли расплавленного свинца. Искривлённую поверхность жидкости называют мениском. Вода, попавшая на покрытую жиром поверхность, образует шаровидные капли, т.к. не смачивает жир, а по чистому стеклу растекается, т.к. смачивает стекло. Ртуть на стекле также собирается в отдельные капли, а на цинковой пластинке растекается.

В работе предлагается рассмотреть поверхности жидкостей при взаимодействии с различными твёрдыми телами и повторить опыт Плато.

7. Флотация. Виды флотации. Области применения

Флотамция (фр. flottation, от flotter — плавать) — процесс разделения мелких твёрдых частиц (главным образом, минералов), основанный на различии их в смачиваемости водой. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым водой частицам и поднимают их к поверхности.

Флотация — один из основных методов обогащения полезных ископаемых, применяется также для очистки воды от органических веществ и твёрдых взвесей, разделения смесей, ускорения отстаивания в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и др. отраслях промышленности.

Заключение

При изучении природных явлений, поведения животных и человека можно найти много практических и интересных явлений. В своей исследовательской работе мы рассмотрели только несколько. Эта тема очень большая и значительная, интерес к ней всегда огромен и, конечно, за один проект познать её невозможно. Поэтому мы предлагаем вам обратиться к книгам, в которых вы можете найти ответы хотя бы на некоторые свои вопросы.

В процессе своей исследовательской деятельности мы поняли, что явления смачивания и не смачивания, капиллярные явления широко распространены как в повседневной деятельности, так и в природе, знания в этой области находят широкое применение в технике.

Используемая литература

1. Кац Ц. Б. Биофизика на уроках физики. — М.: Просвещение, 1988.

2. Энциклопедия для детей «Аванта+». Биология. — М., 2002.

3. Перельман Я. И. Занимательная физика: Книга 1. — М.: Наука, 1979.

4. Тарасов Л. В. Физика в природе — М.:Мир

5. Мещеряков Н. Ф., Флотационные машины, М., 1972;

6. Глембоцкий В. А., Классен В. И., Флотация, М., 1973;

7. Справочник по обогащению руд, М., 1974.

8. Прохоренко П. П. Ультразвуковой капиллярный эффект

9. П. П. Прохоренко, Н. В. Дежкунов, Г. Е. Коновалов; Под ред. В. В. Клубовича. 135 с. Минск: «Наука и техника», 1981.