Підготовлено: Б. Горватхова
На межі розділу твердої речовини та рідини є дві ситуації. Рідина змочує стінки контейнера, ми спостерігаємо кривизну поверхневого шару на стінках контейнера вгору. Рідина не змочує стінки контейнера, ми спостерігаємо кривизну поверхневого шару вниз.
Викривлення вільної поверхні рідини на стінках посудини у вузьких трубках, капілярах і бульбашках призводить до того, що результуючі поверхневі сили є ненульовою силою, яка діє перпендикулярно поверхні рідини.
Ця сила викликає капілярний тиск . Якщо поверхня рідини має сферичну форму, капілярний тиск визначається: pk = 2 / Р, де - поверхневий натяг і Р. радіус сферичної поверхні.
Капілярний тиск обернено залежить від радіуса сферичної поверхні. Для тонкої сферичної мильної бульбашки радіусом R капілярний тиск усередині міхура дорівнює pk = 4 / Р, оскільки міхур має дві поверхні.
Коли ми занурюємо вузьку скляну трубку у велику посудину з водою, ми можемо спостерігати, що в капілярі вода піднімається на певну висоту h над вільним рівнем води у великій посудині. Це підвищення рівня називається піднесення капіляра . Так поводяться всі рідини, які змочують стінки контейнера.
Якщо ми проведемо подібний ртутний експеримент, рівень вільної ртуті в капілярі буде нижчим, ніж рівень вільної ртуті в широкій посудині. Кажуть, що таке зниження вільного рівня ртуті в капілярі капілярна депресія . Капілярна западина може спостерігатися при рідинах, які не змочують стінки контейнера.
З точки зору молекулярної фізики, ми можемо пояснити капілярність на прикладі капілярного піднесення рідини з поверхневим натягом. Передбачається, що рідина ідеально змочує стінки ємності в капілярі радіусом R, утворюючи порожнисту поверхню, яка має форму півкулі з радіусом R. Порожниста поверхня рідини в капілярі діє на рідину сила назовні від рідини. Вільна поверхня стабілізувалася на висоті h, де зазначені сили знаходяться в рівновазі.
Наступне стосується величини сили, що діє по всій внутрішній окружності капіляра: Ft = .2 Р.
До величини гідростатичної сили застосовується наступне: Fh = p.S = h.q.g. R 2
Покладемо сили на рівність і виразимо h:
.2 R = hq. Р. R 2 /: R
h = 2 / (q.g.R)
Збільшення вільного рівня в капілярі відносно рівня вільної поверхні у зовнішній посудині піднесенням обернено пропорційне радіусу капіляра. Для певного радіуса капіляра висота h тим більша, чим більший поверхневий натяг рідини.
Ті ж міркування стосуються і капілярної депресії.
Піднесення капілярів можна спостерігати на гніті свічки, на вологій стіні. Ми також стикаємося з нею в природі, наприклад, вода піднімається через капіляри рослин.
Вода піднімається з глибини в поверхневі шари ґрунту і випаровується. Щоб запобігти надмірному випаровуванню води з ґрунту, капіляри руйнуються в поверхневому шарі. Наприклад, при коченні утворюються капіляри, що дозволяє підніматися на поверхню води.
1.) Безумовно, капілярний тиск всередині мильної бульбашки діаметром 2 см. Поверхневий натяг мильного розчину у воді в контакті з повітрям становить 40 мН.м -1 .
Pk =?; R = 1 см = 0,01 м; = 40 мН.м -1 = 0,04 Н.м -1;
У розчині ми використовуємо співвідношення для капілярного тиску всередині мильної бульбашки: pk = 4/R
Після чисельного заміщення: pk = (4.0.04)/0.01 Па = 16 Па
Капілярний тиск усередині мильної бульбашки становить 16 Па.
2.) Визначте масу води, що виходить у капілярі з внутрішнім діаметром 0,5 мм при температурі 20 ° С. Поверхневий натяг води 73 мН. м -1, гравітаційне прискорення 9,81м.с -2 .
m =? d = 0,5 мм; R = 0,25 мм = 0,00025 м; g = 9,81 м.с-2; = 0,073 Н.м -1
Масу води можна обчислити, використовуючи співвідношення: m = .V
Ми знаємо щільність води 1000 кг/м 3, але нам все одно доведеться розрахувати об’єм.
Об'єм води дорівнює об'єму балона з висотою даного стовпа рідини: V = S.h = R 2 .h
Нам ще потрібно розрахувати висоту, на яку піднімається вода в капілярі: h = 2/(q.g.R) = (2.0.073)/(1000.9.81.0.00025) m = 0.0595 m
Підставимо у відношення для об’єму: V = .0.00025 2 .0.0595 м 3 = 1.1677.10 -8 м 3
Підставляємо лише у співвідношення ваги: m = 1000,1,1677,10 -8 кг = 1,17,10 -5 кг
Маса води, що виходить з капіляра, становить 1,17. 10 -5 кг.
1) Визначте, коли відбувається піднесення капілярів та западання капілярів?
2) Які сили знаходяться в рівновазі, коли стовп рідини в капілярі стабілізується?
3) Капіляр має внутрішній діаметр 0,2 мм. Обчисліть, наскільки високий бензол щільністю 870 кг/м 3, поверхневий натяг 29,1 мН.м -1 зростатиме в капілярі .