|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Капиллярные явления | Капиллярные явления (далее К) физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К К относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с др. жидкостью, газом или собственным паром. Искривление поверхности ведет к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления Dp, величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа: Dp = p1 — p2. = 2s12/r, где (s12 — поверхностное натяжение на границе двух сред; p1 и p2 — давления в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе) 2. В случае вогнутой поверхности жидкости (r < 0) давление в ней понижено по сравнению с давлением в соседней фазе: p1 < p2 и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r > 0) знак Dp меняется на обратный. Капиллярное давление создается силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведет к появлению составляющей, направленной внутрь объема одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела (r = ¥) такая составляющая отсутствует и Dp = 0.
К охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием межмолекулярных сил и внешних сил (в первую очередь силы тяжести).
В простейшем случае когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости ограниченный объем жидкости, не соприкасающейся с др. телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме, и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна.
Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой, см. Архимеда закон). При нескомпенсированной силе тяжести картина существенно меняется Маловязкая жидкость (например, вода), взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в который она налита. Ее свободная поверхность оказывается практически плоской, т.к. силы земного притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося искривить и сократить поверхность жидкости. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли или пузырьки практически сферической формы (см. Капля).
Свойства систем, состоящих из многих мелких капель или пузырьков (эмульсии, жидкие аэрозоли, пены), и условия их образования во многом определяются кривизной поверхности частиц, т. е. К Не меньшую роль К играют и при образовании новой фазы: капелек жидкости при конденсации паров, пузырьков пара при кипении жидкостей, зародышей твердой фазы при кристаллизации.
При контакте жидкости с твердыми телами на форму ее поверхности существенно влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости и твердого тела. На рис. 1 показан профиль поверхности жидкости, смачивающей стенки сосуда. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует с поверхностью твердого тела (капилляра, сосуда), чем находящийся над ней газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твердого тела и жидкости, заставляют ее подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению примыкающего к стенке участка поверхности. Это создает отрицательное (капиллярное) давление, которое в каждой точке искривленной поверхности в точности уравновешивает давление, вызванное подъемом уровня жидкости. Гидростатическое давление в объеме жидкости при этом изменений не претерпевает.
Если сближать плоские стенки сосуда таким образом, чтобы зоны искривления начали перекрываться, то образуется вогнутый мениск — полностью искривленная поверхность. В жидкости под мениском капиллярное давление отрицательно, под его действием жидкость всасывается в щель до тех пор, пока вес столба жидкости (высотой h) не уравновесит действующее капиллярное давление Dp. В состоянии равновесия
(r1 — r2) gh = Dp = 2s12/r,
где r1 и r2 — плотность жидкости 1 и газа 2; g — ускорение свободного падения. Это выражение, известное как формула Д. Жюрена (J. Jurin, 1684—1750), определяет высоту h капиллярного поднятия жидкости, полностью смачивающей стенки капилляра. Жидкость, не смачивающая поверхность, образует выпуклый мениск, что вызывает се опускание в капилляре ниже уровня свободной поверхности (h < 0).
Капиллярное впитывание играет существенную роль в водоснабжении растений, передвижении влаги в почвах и др. пористых телах. Капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в процессах технологии.
Искривление свободной поверхности жидкости под действием внешних сил обусловливает существование т. н. капиллярных волн ("ряби" на поверхности жидкости). К при движении жидких поверхностей раздела рассматривает физико- гидродинамика.
Движение жидкости в капиллярах может быть вызвано разностью капиллярных давлений, возникающей в результате различной кривизны поверхности жидкости. Поток жидкости направлен в сторону меньшего давления: для смачивающих жидкостей — к мениску с меньшим радиусом кривизны (рис. 2, а).
Пониженное, в соответствии с Кельвина уравнением, давление пара над смачивающими менисками является причиной капиллярной конденсации жидкостей в тонких порах.
Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки (рис. 2, б). Это может приводить к значительной объемной деформации высокодисперсных систем и пористых тел — капиллярной контракции. Так, например, происходящий при высушивании рост капиллярного давления приводит к значительной усадке материалов.
Многие свойства дисперсных систем (проницаемость, прочность, поглощение жидкости) в значительной мере обусловлены К, т.к. в тонких порах этих тел реализуются высокие капиллярные давления.
К впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи (15 в.), затем Б. Паскалем (17 в.) и Д. Жюреном (18 в.) в опытах с капиллярными трубками. Теория К развита в работах П. Лапласа (1806), Т. Юнга (1805), С. Пуассона (1831), Дж. Гиббса (1875) и И. С. Громеки (1879,1886).
Лит.: Адам Н. К., Физика и поверхностей, пер. с англ., М., 1947; Громека И. О., Собр. соч., М., 1952.
Н. В. Чураев.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
