11

УДК 532.6

Новая (феноменологическая) теория капиллярности

Б.Н.Комаров

Казань, Россия

Аннотация

Установлено, что теория капиллярности Лапласа не позволяет объяснить многие капиллярные явления даже на качественном уровне. Предложен вариант физически более обоснованной капиллярной теории, разработаны и опробованы новые методы определения поверхностного натяжения жидкостей, измерено поверхностное натяжение воды.

1. Введение

2. Важнейшей характеристикой жидкой поверхности является коэффициент поверхностного натяжения . По своей физической сущности  есть свободная энергия одного квадратного метра поверхности. Для жидкостей  может иметь два эквивалентных выражения 1,2: энергетическое и силовое:

3.  E/S(дж/м²)=F/L (н/м) (1)

4. Отсутствие удовлетворительной теории жидкостей не позволяет её теоретический расчет, возможна лишь её оценка, которая может быть сделана следующим образом.

5. Работа образования двух торцовых поверхностей при разрыве цилиндрического столба жидкости (мысленный эксперимент) равна [3]: А = 2σ ≈ pd, или p ≈ 2σ/d.

Здесь: σ – поверхностное натяжение жидкости, p – внутреннее давление в жидкости, d – среднее расстояние между центрами соседних молекул.

Внутреннее давление p может быть определено по формуле: p = αΤ/β (T –температура жидкости). Здесь: α – коэффициент объёмного расширения, β - сжимаемость.

Отсюда 2σ/d=αT/β и σ ≈ αТd/2β.

Для воды σ ≈ 0.018н/м, что в четыре раза меньше табличного значения поверхностного натяжения воды (0.0735н/м).

Такое, недопустимо большое, различие теоретической оценки и экспериментального значения свидетельствует скорее всего о недостоверности табличного значения поверхностного натяжения воды. Косвенным подтверждением этого предположения является наличие десятка различных методов определения поверхностного натяжения жидкостей, которые к тому же имеют «недостаток»: « измерения разных авторов даже одним методом обычно дают неодинаковые значения для одних и тех же веществ»[2].

Существующие экспериментальные методы 1,2,3,4 имеют один общий принципиальный недостаток, который и делает экспериментальные результаты измерений коэффициента поверхностного натяжения жидкостей недостоверными.

В большинстве известных методов (кроме метода капиллярных волн, теоретически возможного, но технически неразработанного) фактически измеряется не результат взаимодействия на границе «жидкость – газ» (что соответствовало бы определению истинного значения поверхностного натяжения жидкости ), а результат взаимодействия на границе раздела трёх фаз «твёрдое тело – жидкость – газ». В этом случае  представляет собой уже не коэффициент поверхностного натяжения жидкости, а некий интегральный коэффициент, учитывающий также и межфазное взаимодействие, т.е. адгезию конкретной жидкости к конкретному твёрдому телу. Поэтому справочные данные, без указания каким методом и с какой погрешностью они были получены, не могут считаться достоверными. Так, например, ни в современных справочниках, ни в учебниках не указано каким методом и с какой погрешностью было измерено поверхностное натяжение воды (   0.073 н/м).

Оно впервые было измерено в Х1Х веке капиллярным методом (Жюрен, Артюр, Брунер и др.), теоретической основой которого является теория капиллярности Лапласа и вытекающая из неё расчетная формула Жюрена.

Поверхностное натяжение морской воды не измерено до сих пор. Причиной такого удивительного положения (три четверти земной поверхности представляет собой водную поверхность) не в последнюю очередь является отсутствие надёжно обоснованных методов измерения. Целью работы было разработка таких методов и определение поверхностного натяжения воды.