5. Капиллярность, поглощение газов жидкостями

Известно, что свободная поверхность жидкости, т. е. поверхность жидкости на границе с газом или поверхность на границе двух неперемешивающихся жидкостей, находится в состоянии равномерного поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение характеризуется силой поверхностного натяжения, отнесенной к единице длины «образующей линии» свободной поверхности, так называемым коэффициентом поверхностного натяжения , зависящим только от природы жидкости (газа) и ее температуры. Для воды, находящейся в соприкосновении с воздухом, при 20° С ( = 0,0726 н/м). С увеличением температуры значение уменьшается. Для ртути при тех же условиях = 0,540 н/м, т. е. почти в 7,5 раза больше.

В большинстве гидравлических процессов влиянием поверхностного натяжения ввиду его малости пренебрегают. Необходимость его учета возникает лишь в том случае, если свободная поверхность жидкости приобретает заметную кривизну, так как в этом случае силы поверхностного натяжения сказываются на давлении в жидкости. Действием поверхностного натяжения объясняется так называемое капиллярное поднятие жидкости (если жидкость смачивающая) или опускание (если жидкость несмачивающая) в трубках малого диаметра. Способность жидкости подниматься или опускаться в трубках малого диаметра под действием сил поверхностного натяжения называется капиллярностью.

Для воды при t=20°C зависимость высоты капиллярного поднятия h {мм) в стеклянной трубке от ее диаметра d (мм) определяется формулой

hd = 30 мм² (12)

Для ртути при t = 20° С зависимость между величиной опускания h (мм) и диаметром d (мм) дается в виде

hd = 10,15 мм² (13)

Высоту капиллярного поднятия приходится иногда учитывать также при подземной фильтрации жидкости.

Жидкости обладают способностью поглощать и растворять соприкасающиеся с ними газы. Такое явление называется абсорбцией. При этом весовое количество растворенного (абсорбированного) газа изменяется при данной температуре (пропорционально давлению жидкости, оставаясь по объему практически постоянным (закон Генри).

Вода в природном состоянии всегда содержит известное количество растворенного воздуха: при обычной температуре и нормальном атмосферном давлении оно составляет около 2% объема воды. При уменьшении давления соответствующая часть растворенного воздуха выделяется из жидкости. Чем больше снижение давления, тем более бурно происходит выделение воздуха; при этом образуются и пары жидкости. Вода приходит в состояние холодного «кипения», нарушается ее сплошность и образуется своего рода эмульсия, обладающая гораздо большей сжимаемостью и совершенно отличными от прежнего физическими и механическими свойствами. Это явление бывает чаще всего на поверхности быстро движущихся в воде частей механизмов, в тех местах потока жидкости, где давление понижается до некоторого критического, например у лопастей гребных винтов, лопаток турбин и насосов, и известно под названием гидродинамической кавитации, борьба с которой является одной из существенных технических задач. В результате кавитацион-ных явлений происходят механическое разрушение металлических деталей гидромашин (кавитационная эрозия), срыв работы насосов, уменьшение производительности трубопроводов и т. п.

Выделение воздуха и парообразование могут происходить и при давлениях, больших атмосферного, если температура воды увеличивается или вода слишком аэрирована. Это часто служит причиной образования воздушных «пробок» в длинных трубопроводах; выделяемый воздух и пары жидкости накапливаются в их наиболее высоких местах и могут затруднить или даже совсем прекратить движение воды.

К выделению воздуха и паров приводит также внезапное возникновение движения по трубам при очень быстром открытии задвижки или крана, когда происходит так называемый гидравлический удар.

Кавитации подвержены и другие жидкости.