Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления

На границе соприкосновения различных сред может наблюдаться смачивание или несмачивание.

На рисунках показана капля жидкости на поверхности другой, не смешивающейся с ней жидкости (рис. 7.9) и на поверхности твердого тела (рис. 7.10 и 7.11). На поверхностях раздела каждых двух сред (1 и 3, 2 и 1, 3 и 2) действуют силы поверхностного натяжения (показаны стрелками). Если эти силы разделить на длину окружности капли (границы трех сред), то получим соответственно σ₁₃, σ₂₁, σ₃₂.

Угол θ между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, отсчитываемый через нее, называют краевым.

За меру смачивания принимают величину

Если σ₃₂ < σ₁₃ (см. рис. 7.10), то θ < πr/2, и жидкость смачивает твердое тело, поверхность которого в этом случае называется гидрофильной. В случае σ₃₂ < σ₁₃ (см. рис. 7.11) θ > π/2, жидкость не смачивает тело, поверхность его в этом случае называют гидрофобной. Несмачивающая жидкость не протекает через малые отверстия в твердом теле. При |σ₃₂ — σ₁₃ |> σ₂₁ краевой угол определить нельзя, так как cos θ не может быть больше единицы. В этом случае капля растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всей его поверхности или пока не образуется мономолекулярный слой. Такой случай является идеальным смачиванием. К нему с некоторым приближением можно отнести растекание спирта или воды по чистой поверхности стекла, нефти по воде и пр.

Под действием сил поверхностного натяжения поверхностный слой жидкости искривен

и оказывает дополнительное по отношению к внешнему давление ∆р. Поверхностный слой подобен упругой оболочке, например резиновой пленке. Результирующая cил поверхностного натяжения искривленной поверхности направлена в сторону вогнутости (к центру кривизны). В случае сферической поверхности, радиус кривизны которой r, дополнительное давление

Искривление поверхности (мениск), в частности, возникает в узких (капиллярных) трубках в результате смачивания или несмачивания жидкостью их поверхности. При смачивании образуется вогнутый мениск (рис. 7.12). Силы давления направлены от жидкости наружу, т. е. вверх, и обусловливают подъем жидкости в капилляре. Это равновесное состояние, показанное на рисунке, наступает тогда, когда давление pgh уравновесит ∆р.

Из рис. 7.12 видно, что r =R/cos θ , где R — радиус капилляра.

Поэтому [(см. (7.24)] получаем

тогда

откуда высота поднятия жидкости в капилляре

Т. е. зависит от свойств жидкости и материала капилляра, а также от его радиуса.

В случае несмачивания cos θ < 0 и формула (7.26) покажет высоту опускания жидкости в капилляре.

Капиллярные явления определяют условия конденсации паров, кипения жидкостей, кристаллизации и т. п. Так, например, на молекулу пара (рис. 7.13; точка А) над вогнутым мениском жидкости действует больше молекул жидкости и, следовательно, большая сила, чем при выпуклом мениске (показаны стрелками). Это видно из рис. 7.13, на котором штриховыми линиями условно показаны сферы молекулярного действия, а заштрихованные участки — объемы жидкости, молекулы которых притягивают выделенную молекулу пара. В результате этого возникает капиллярная конденсация в смачиваемых тонких трубках даже при сравнительно малой влажности воздуха. Благодаря этому пористые вещества могут задерживать значительное количество жидкости из паров, что приводит к увлажнению белья, ваты в сырых помещениях, затрудняет сушку гигроскопических тел, способствует удержанию влаги в почве и т. п. Наоборот, несмачивающие жидкости не проникают в пористые тела. С этим связана, например, непроницаемость для воды перьев птиц, смазанных жиром.

Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в капилляре с жидкостью. Если давление жидкости на пузырек с разных сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны, и силы дополнительного давления будут уравновешивать друг друга F₁ = -F₂ (рис. 7.14, а). При избыточном давлении с одной из сторон, например при движении жидкости, мениски деформируются, изменятся их радиусы кривизны (рис. 7.14, б), дополнительное давление ∆р с разных сторон станет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе человека.

Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функциональному расстройству или даже летальному исходу. Так, воздушная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен: проникший в ток крови воздух образует воздушный пузырь, пре

ствующий прохождению крови. Пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутривенных вливаниях.

Газовые пузырьки в крови могут появиться у водолазов при быстром подъеме с большой глубины на поверхность, у летчиков космонавтов при разгерметизировании кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом азов крови из растворенного состояния в свободное — газообразное — в результате понижения окружающего атмосферного давления. Ведущая роль в образовании газовых пузырьков при уменьшении давления принадлежит азоту, так как он обусловливает основную часть общего давления газов в крови и не участвует газообмене организма и окружающего воздуха.

ГЛАВА 8

Механические свойства твердых тел и биологических тканей

Характерным признаком твердого тела является способность сохранять форму. Твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные.

Так же как и в гл. 7, рассматриваемый материал имеет отношение к реологии и биореологии.

<39 40 414243 44 45 >

Дата добавления: 2015-03-03; просмотров: 2176;