4.3.6 Капиллярные явления
В узких трубках (капиллярах) вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра кривизна поверхности жидкости (т.е. мениск) становится значительной. Возникающее при этом дополнительное давление р вызывает заметное поднятие или опускание уровня жидкости.
Рассмотрим для примера случай круглого капилляра радиуса r, погруженного в большой сосуд с жидкостью, не смачивающей стенки капилляра. При этом внутри капилляра образуется мениск, и под действием дополнительного давления р жидкость в капилляре опускается на некоторую глубину, как показано на рисунке 4.13. В широком сосуде благодаря действию силы тяжести можно считать поверхность жидкости практически плоской. В узкой трубке, напротив, можно пренебречь действием сил тяжести по сравнению с силами поверхностного натяжения и поверхность жидкости можно считать сферой радиуса R. Из рисунка 4.13 видно, что
,
где – краевой угол на границе жидкость – твердая стенка.
Рисунок 4.13
,
где р
– внешнее давление в газе. По закону
сообщающихся сосудов оно должно быть
равно полному давлению на том же уровне
в широком сосуде
,
где
– гидростатическое давление столба
жидкости плотности
на глубине h.
Приравнивая, получим:
,
откуда
.
Точно
такое же выражение получится и для
высоты поднятия жидкости, смачивающей
стенки капилляра радиуса r.
При полном смачивании (например,
вода-стекло)
,
радиус мениска равен радиуса капилляра
и высота поднятия жидкости равна
.
Капиллярные явления играют большую роль в медицине. Чтобы жидкость не только втягивалась в капилляр, а вообще проникала в поры, необходим малый краевой угол. При большой величине краевого угла предметы будут оставаться сухими. Ниже приведены примеры, которые демонстрируют роль капиллярности и смачивания.
1. Системы, где нужен малый краевой угол (желательно при большом поверхностном натяжении): кровь на бинтах (гигроскопичность ваты), капли от насморка на слизистой оболочке носа, слюна на пище. Растворитель для краски на сухом порошке красителя, жидкая краска на окрашиваемых поверхностях (различные цвета таблеток) и т.д.
2. Системы, где нужен большой краевой угол: вода на стеклах очков (мелкие капли быстрей испаряются), защитные кремы и т.д.
4.3.7 Поверхностно-активные вещества
Многие вещества понижают поверхностное натяжение жидкостей. Такие вещества называются поверхностно-активными (мыло, масляная кислота).
Для достижения минимума поверхностной энергии поверхностно-активное вещество должно концентрироваться у поверхности жидкости или твердого тела. Увеличение концентрации растворенных веществ, понижающих поверхностное натяжение у поверхности жидкости или твердых тел, называется адсорбцией. Она может происходить не только на свободной поверхности жидкости, но и на поверхности соприкосновения двух жидкостей или на поверхности раздела жидкости и твердого тела. Для адсорбции необходимо только, чтобы растворенное вещество понижало поверхностное натяжение на данной поверхности. Тела, на поверхности которых концентрируются поверхностно-активные вещества, называются адсорбентами.
Простейшими поверхностно-активными веществами по отношению к воде являются спирты, жирные кислоты и их соли.