Капиллярные явления
Пусть капля жидкости лежит на поверхности твердого тела (см. рис. 3). Возможно два варианта:
А. Молекулы жидкости сильнее притягиваются к молекулам твердого тела, нем к друг к другу. Жидкость стремится увеличить площадь соприкосновения с поверхностью, растекаясь по ней (рис. 3а). Краевой угол между поверхностями капли и поверхности — острый (< 90°). В этом случае говорят, что жидкость смачивает твердое тело. Если = 0°, то имеет место полное смачивание. Например, вода смачивает стекло, а ртуть — медь.
Б. Молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к молекулам твердого тела. Жидкость стремится уменьшить площадь соприкосновения с поверхностью, принимая форму сплюснутого (силой тяжести) шара (рис. 36); > 90°. Теперь жидкость не смачивает твердое тело, а при = 180° получаем полное несмачивание. Примеры: вода и воск, ртуть и стекло.
В силу изложенного, края жидкости в сосуде из смачиваемого ей материала приподнимаются (рис. 4а), а из несмачиваемого — опускаются (рис. 4б). Заметим, что на рис. 4 изображены очень узкие сосуды — капилляры; только их мы и будем рассматривать (в обычном сосуде отмеченные краевые эффекты малозаметны). Поверхность жидкости в капилляре имеет вогнутую (смачивание) или выпуклую (несмачивание) сферическую (капилляр считаем цилиндрическим) поверхность — мениск.
Мениск стремится выпрямиться, что вызывает избыточное давление ∆р, направленное к центру кривизны (рис. 4а и 4б).
Величина избыточного давления ∆р под сферической поверхностью жидкости радиуса R равна (Лаплас, 1805):
где а — коэффициент поверхностного натяжения жидкости, причем знак “-’’ в (4) соответствует вогнутому, a “+” — выпуклому мениску.
Поэтому в случае смачивания жидкость в капилляре поднимается на высоту h, так что давление столба жидкости этой высоты уравновешивает избыточное давление: pgh s= Др, где р — плотность жидкости, a g 9.81 м/с2 — ускорение свободного падения на поверхности Земли. Учитывая (4), получаем:
Радиус капилляра r, мениска R и краевой угол связаны соотношением (рис. 4а): R = r/ cos. Получаем окончательно:
Высота поднятия смачивающей жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу (Борелли, 1670 и Жюрен, 1718).
Формула (5) носит название формулы Борелли-Жюрена, а величина 2а/рg в квадратных скобках — капиллярной постоянной. Очевидно, что жидкость, которая не смачивает стенки капилляра, опускается в нем на величину, даваемую формулой (5).
Благодаря капиллярам, образованным клетками растений происходит их питание: вода с растворенными в ней питательными веществами поднимается по этим капиллярам до самых верхушек деревьев. Мельчайшие зазоры между комочками почвы также образуют капиллярную систему, от функционирования которой зависит влажность верхнего почвенного слоя.
Лекция № 17
Дата добавления: 2015-08-11; просмотров: 1782;