Капілярні явища
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Капілярні явища

Капілярні явища, фізичні явища, обумовлені дією поверхневого натягнення на кордоні розділу середовищ, що не змішуються. ДО ДО. я. відносять зазвичай явища в рідких середовищах, викликані викривленням їх поверхні, що граничить з ін. рідиною, газом або власною парою. Викривлення поверхні веде до появи в рідині додаткового капілярного тиску D p , величина якого пов'язана з середньою кривизною r поверхні рівнянням Лапласа: D p = p 1 — p 2 . = 2s 12 / r , де (s 12 поверхневе натягнення на кордоні двох середовищ; p 1 і p 2 — тиск в рідині 1 і середовищу, що контактує з нею ( фазі ) 2. В разі увігнутої поверхні рідини ( r < 0) тиск в ній знижений в порівнянні з тиском в сусідній фазі: p 1 < p 2 і D p < 0. Для опуклих поверхонь ( r > 0) знак D p міняється на зворотний. Капілярний тиск створюється силами поверхневого натягнення, що діють по дотичній до поверхні розділу. Викривлення поверхні розділу веде до появи складової, направленої всередину об'єму однієї з контактуючих фаз. Для плоскої поверхні розділу ( r = ¥) така складова відсутня і D p = 0.

загрузка...

  До. я. охоплюють різні випадки рівноваги і руху поверхні рідини під дією міжмолекулярних сил і зовнішніх сил (в першу чергу сили тяжіння).

  В простому випадку коли зовнішні сили відсутні або компенсуються, поверхня рідини завжди викривлена. Так, в умовах невагомості обмежений об'єм рідини, не дотичної з ін. тілами, набуває під дією поверхневого натягнення форми кулі. Ця форма відповідає стійкій рівновазі рідини, оскільки куля володіє мінімальною поверхнею при даному об'ємі, і, отже, поверхнева енергія рідини в цьому випадку мінімальна.

  Форми кулі рідина набуває і в тому випадку, якщо вона знаходиться в іншій, рівній по щільності рідині (дія сили тяжіння компенсується архімедівською виштовхуючою силою, див.(дивися) Архімеда закон ). При силі тяжіння, що не компенсується, картина істотно міняється Малов'язка рідина (наприклад, вода), узята в достатній кількості, набуває форми судини, в яку вона налита. Її вільна поверхня виявляється практично плоскою, оскільки сили земного тяжіння долають дію поверхневого натягнення, прагнучого скривити і скоротити поверхню рідини. Проте у міру зменшення маси рідини роль поверхневого натягнення знову стає такою, що визначає: при дробленні рідини в середовищі газу або газу в рідині утворюються дрібні краплі або бульбашки практично сферичної форми (див. Крапля ) .

  Властивості систем, що складаються з багатьох дрібних крапель або бульбашок (емульсії, рідкі аерозолі, піни), і умови їх освіти багато в чому визначаються кривизною поверхні часток, тобто До. я. Не меншу роль До. я. грають і при утворенні нової фази: крапельок рідини при конденсації пари, бульбашок пари при кипінні рідин, зародків твердої фази при кристалізації .

  При контакті рідини з твердими тілами на форму її поверхні істотно впливають явища змочування, обумовлені взаємодією молекул рідини і твердого тіла. На мал. 1 показаний профіль поверхні рідини змочуючої стінки судини. Змочування означає, що рідина сильніше взаємодіє з поверхнею твердого тіла (капіляра, судини), чим газ, що знаходиться над нею.(газета) Сили тяжіння, що діють між молекулами твердого тіла і рідини, заставляють її підніматися по стінці судини, що приводить до викривлення ділянки поверхні, що примикає до стінки. Це створює негативний (капілярне) тиск, який в кожній точці викривленої поверхні в точності врівноважує тиск, викликаний підйомом рівня рідини. Гідростатичний тиск в об'ємі рідини при цьому змін не зазнає.

  Якщо зближувати плоскі стінки судини так, щоб зони викривлення почали перекриватися, то утворюється увігнутий меніск повністю викривлена поверхня. У рідині під меніском капілярний тиск негативний, під його дією рідина всмоктується в щілину до тих пір, поки вагу стовпа рідини (заввишки h ) не зрівноважить капілярний тиск D p , що діє . В стані рівноваги

( r 1 r 2 ) gh = D p = 2s 12 / r ,

  де r 1 і r 2 — щільність рідини 1 і газу 2; g — прискорення вільного падіння. Це вираження, відоме як формула Д. Жюрена (J. Jurin, 1684—1750), визначає висоту h капілярного піднімання рідини, що повністю змочує стінки капіляра. Рідина, що не змочує поверхню, утворює опуклий меніск, що викликає се опускання в капілярі нижче за рівень вільної поверхні ( h < 0).

  Капілярне вбирання грає істотну роль у водопостачанні рослин, пересуванні волога в грунтах і ін. пористих тілах. Капілярне просочення різних матеріалів широко застосовується в процесах хімічної технології.

  Викривлення вільної поверхні рідини під дією зовнішніх сил обумовлює існування т.з. капілярних хвиль («брижам» на поверхні рідини). До. я. при русі рідких поверхонь розділу розглядає физико-хімічна гідродинаміка .

  Рух рідини в капілярах може бути викликане різницею капілярного тиску, рідині, що виникає в результаті різної кривизни поверхні. Потік рідини направлений у бік меншого тиску: для змочуючих рідин — до меніска з меншим радіусом кривизни ( мал. 2 , а).

  Знижене, відповідно до Кельвіна рівнянням, тиск пари над змочуючими менісками є причиною капілярній конденсації рідин в тонких порах.

  Негативний капілярний тиск чинить стягуюча дія на стінки ( мал. 2 , би) , що обмежують рідину . Це може приводити до значної об'ємної деформації високодисперсних систем і пористих тіл — капілярною контракції. Зростання капілярного тиску, що так, наприклад, відбувається при висушуванні, приводить до значної усадки матеріалів.

  Багато властивостей дисперсних систем (проникність, міцність, поглинання рідини) значною мірою обумовлено До. я., оскільки в тонких порах цих тіл реалізується високий капілярний тиск.

  До. я. вперше були відкриті і досліджені Леонардо да Вінчі (15 ст), потім Б. Паськалем (17 ст) і Д. Жюреном (18 ст) в дослідах з капілярними трубками. Теорія До. я. розвинена в роботах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1805), С. Пуассона (1831), Дж. Гіббса (1875) і І. С. Громеки (1879,1886).

  Літ .: Адам Н. До., Фізика і хімія поверхонь, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1947; Громека І. О., Собр. соч.(вигадування), М., 1952.

  Н. Ст Чураєв.

Мал. 1. Капілярне піднімання рідини, що змочує стінки (вода в скляній судині і капілярі).

Мал. 2. а — переміщення рідини в капілярі під дією різниці капілярного тиску (r 1 > r 2 ); би — стягуюча дія капілярного тиску.