Смачивание. Формула Лапласа. Капиллярные явления и их роль в природе
Глава 3. Жидкости.
Строение жидкостей. Поверхностное натяжение.
По своим физическим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Для них характерна большая подвижность частиц и малое пространство между ними. Жидкости, как и твердые тела, способны сохранять свой объем и у них существует свободная поверхность. В то же время, жидкости, подобно газу, принимают форму того сосуда, в который они налиты, т.е. обладают текучестью.
Если твердые тела имеют строгую внутреннюю структуру, то структура жидкости является более рыхлой, т.е. между молекулами жидкости имеется свободное пространство, или так называемые «дырки». Согласно дырочной теории (теории Френкеля), каждая молекула жидкости в течение некоторого промежутка времени колеблется около определенного положения равновесия. В какой-то момент времени она скачком перемещается в некоторое новое положение равновесия, отстоящее от предыдущего на расстоянии, сравнимом с размерами молекул. На ее месте появляется свободное пространство – дырка. То есть молекула медленно перемещается внутри жидкости, пребывая часть времени в положении равновесия, в так называемом «оседлом» состоянии.
Каждая молекула, расположенная внутри объема жидкости, равномерно окружена соседними молекулами и взаимодействует с ними, но равнодействующая этих сил равна нулю (рис. 3.1, а).
|
|
|
Рис. 3.1
На молекулу, находящуюся вблизи границы раздела двух сред (лежащей на поверхности жидкости) вследствие неоднородности окружения действует сила, нескомпенсированная другими молекулами жидкости ( 
) и направленная внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности (рис. 3.1, б).
Таким образом, поверхностный слой жидкости производит на нее молекулярное давление, под действием сил которого молекулы жидкости стремятся перейти из поверхностного слоя в глубь жидкости. То есть, поверхностный слой жидкости представляет собой как бы эластичную растянутую пленку, охватывающую всю жидкость и стремящуюся собрать ее в одну «большую каплю». Это явление, характерное только для жидкостей, получило название поверхностного натяжения. Вследствие поверхностного натяжения жидкость стремится сократить площадь своего поверхностного слоя (свободной поверхности), в результате чего его площадь становится минимальной при данных условиях. Этим объясняется шарообразная форма маленьких капелек росы. Поверхность жидкости в широких сосудах на земле имеет плоскую форму вследствие действия силы тяжести.
Для увеличения (растяжения) поверхности жидкости необходимо совершить работу. При сокращении поверхности молекулярные силы сами совершают работу А. Таким образом, при растяжении поверхности жидкости потенциальная энергия W поверхности увеличивается, при сокращении – уменьшается. Та часть потенциальной энергии 
, которая может перейти в работу при изотермическом сокращении поверхности, называется свободной энергией поверхности жидкости. Можно показать, что
|
|
|
(3.1)
где 
– изменение площади поверхности, 
– коэффициент поверхностного натяжения.
Из (3.1) следует, что
(3.2)
То есть, коэффициент поверхностного натяжения можно определить как свободную энергию поверхности жидкости, приходящуюся на единицу площади этой поверхности. В этом случае выражается в джоулях на квадратный метр ( 
).
Коэффициент поверхностного натяжения можно определить и как силу, действующую на единицу длины контура поверхности жидкости и стремящуюся сократить эту поверхность до минимума при заданном объеме фаз, т.е.
(3.3)
|
|
|
В системе СИ тогда измеряется в ньютонах на метр (Н/м).
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры и рода жидкости, а также от природы и состояния той среды, с которой соприкасается данная поверхность жидкости. Примеси оказывают большое влияние на величину . Для чистой воды при комнатной температуре значение 
, растворение мыла в ней снижает величину до 
, а растворение поваренной соли, напротив, приводит к увеличению .
Вещества, адсорбирующиеся на поверхности жидкости и понижающие поверхностное натяжение, называются поверхностно – активными.
Коэффициент поверхностного натяжения определяется различными методами (методом отрыва капель, методом компенсации разности давления и т.д.). Прибор, используемый для определения биологических жидкостей (спинномозговой, желчи и др.) называется сталагмометр.
Роль поверхностных явлений в живой природе разнообразна. Поверхностная пленка воды является для многих организмов опорой для движения. Так, водомерки опираются на воду только конечными члениками широко расставленных лапок; лапка, покрытая воскообразным налетом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшое углубление. Подобным образом перемещаются береговые пауки некоторых видов, но их лапки располагаются не параллельно поверхности воды, как у водомерок, а под прямым углом к ней. Секрет способности насекомого держаться на воде заключается в достаточно большом значении ее поверхностного натяжения (поверхностной энергии).
|
|
|
Всякое увеличение поверхности жидкости, например, при выливании воды в тарелку, при распылении воды в водопаде и при выбрасывании ее из брандспойта, сопровождается увеличением поверхностной энергии и охлаждением жидкости.
Наоборот, всякое уменьшение поверхности, например, когда капельки жидкости сливаются в одну большую каплю, сопровождается уменьшается поверхностной энергии и нагреванием жидкости.
Смачивание. Формула Лапласа. Капиллярные явления и их роль в природе.
На границе соприкосновения жидкости с твердым телом наблюдаются некоторые молекулярные явления.
Если силы сцепления между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость стремиться уменьшить границу (площадь) своего соприкосновения с твердым телом, по возможности отступая от него. Отсюда следует несмачивание твердого тела жидкостью.
Угол 
, образованный поверхностью твердого тела и касательной к поверхности
жидкости, отсчитываемый внутри жидкости, называют краевым углом. Для несмачивающей жидкости 
(рис 3.2). Когда 
- полное несмачивание.
Если силы сцепления между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами жидкости и твердого тела, то жидкость стремиться увеличить границу соприкосновения с твердым телом. Отсюда следует смачивание твердого тела жидкостью.
В этом случае 
(рис. 3.3). При 
наблюдается полное смачивание.
Смачиваемость и несмачиваемость – понятия относительные: жидкость, смачивающая одно твердое тело, может не смачивать другое тело. Например, вода смачивает стекло, но не смачивает парафин, ртуть не смачивает стекло, но смачивает медь, цинк.
Листья и стебли растений не смачиваются водой, благодаря покрывающему их тонкому воскообразному налету – кутикуле. Именно поэтому не размокают под дождем листья деревьев, стога сена, скирды соломы и т.д.
Свободная поверхность жидкости, налитая в сосуд, в случае смачивания ею твердого тела будет вогнутой (рис. 3.4) и выпуклой (рис. 3.5) – в случае несмачивания.
Такая изогнутая поверхность называется мениском (от греческого слова – «менискос» - полумесяц).
Рис. 3.4 Рис. 3.5
Под криволинейной поверхностью мениска сила поверхностного натяжения, стремящаяся сократить эту поверхность, создает давление 
, дополнительное к давлению 
, действующему снаружи на жидкость. Это давление, называемое давлением Лапласа, зависит от и кривизны поверхности и определяется формулойЛапласа, которая в общем случае произвольной поверхности двоякой кривизны имеет вид:
(3.3)
где – коэффициент поверхностного натяжения;
– радиусы кривизны двух взаимноперпендикулярных нормальных сечений поверхности в данной точке (рис. 3.6)
Рис. 3.6
Для сферической поверхности (рис. 3.4; 3.5) 
и
(3.4)
В случае плоской поверхности 
, тогда 
, т.е. силы поверхностного натяжения для плоской поверхности направлены вдоль поверхности и не создают дополнительного давления: давление внутри жидкости равно внешнему давлению.
В случае вогнутой поверхности будет отрицательно, т.е. давление внутри жидкости под вогнутой поверхностью меньше, чем внешнее давление на величину (оно равно: 
) (рис. 3.7)
Рис. 3.7
В случае выпуклой поверхности будет положительно, т.е. давление внутри жидкости под выпуклой поверхностью больше, чем внешнее давление на (оно равно: 
) (рис. 3.8)
Рис. 3.8
В узких трубках (капиллярах) кривизна поверхности жидкости (т.е. мениск) становится значительной. Возникающее при этом дополнительное давление вызывает заметное поднятие (рис. 3.7) или опускание (рис.3.8) уровня жидкости, так называемые капиллярные явления. Капиллярные явления были обнаружены и исследованы Леонардо да Винчи в 1561 г. Высота поднятия или опускания уровня жидкости в капилляре обратно пропорционально его радиусу:
(3.5)
где 
– плотность жидкости;
– краевой угол;
– радиус капилляра;
– ускорение свободного падения.
Эта формула Жюрена (выведенная английским физиком в 1718 г.).
В капилляре, диаметр которого 
, вода ( 
; 
) при условии полного смачивания ( ) поднимается на высоту 
.
Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике.
По капиллярам кладки зданий происходит подъем грунтовой воды (в отсутствии гидроизоляции); по капиллярам фитиля поднимаются горючие и смазочные вещества. Использование промокательной бумаги, полотенца основано на капиллярных явлениях. Пчелы извлекают нектар из глубин цветка посредством очень тонкой капиллярной трубки, находящейся внутри пчелиного хоботка.
Огромна роль капиллярных явлений в биологии, так как большинство растительных и животных тканей пронизано громадным числом капилляров. Стволы деревьев, ветви растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система растений оканчивается тончайшими нитями – капиллярами. И сама почва, являющаяся источником питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым, в зависимости от ее структуры и обработки, быстрее или медленнее, поднимается к поверхности вода с растворенными в ней веществами.
Высота подъема жидкости в капилляре тем больше, чем меньше его диаметр. Для сохранения влаги в почве, необходимо почву перекапывать, чтобы закрыть капилляры; для осушения почвы ее необходимо утрамбовывать.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2682; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!