Реферат на тему «Смачивание и капиллярность»

Введение

Если капнуть водой на чистое стекло, капля расползётся пятном. Та же капля на свече или на листе капусты соберётся в блестящий шарик и скатится при малейшем наклоне. Разница видна сразу, а объяснение у неё одно: вода по-разному «любит» разные поверхности. Физики называют это смачиванием.

С ним тесно связана капиллярность, то есть способность жидкости подниматься или опускаться в узких трубках и порах. Благодаря ей промокашка втягивает чернила, кусочек сахара темнеет снизу вверх, если опустить его краем в чай, а влага из почвы поднимается в стены дома, если у фундамента нет гидроизоляции.

Эти явления проходят в 10 классе в разделе о свойствах жидкостей, но в учебнике им отведено обычно две-три страницы. Между тем без них нельзя объяснить ни работу фитиля в керосиновой лампе, ни то, почему одежда из одних тканей промокает, а из других нет, ни почему утки выходят из воды сухими.

Ниже приведена таблица с краевыми углами для нескольких знакомых пар «жидкость — поверхность». Краевой угол — главная величина, которой описывают смачивание, и по ней сразу понятно, поднимется жидкость в трубке или опустится.

Таблица 1 – Смачивание: краевой угол для некоторых пар «жидкость — поверхность»

Примечание — значения ориентировочные: краевой угол сильно зависит от чистоты и шероховатости поверхности.

Цель реферата — разобраться в основных понятиях смачивания и капиллярности, описать типы смачивания и факторы, от которых зависят капиллярные явления, и показать, где они встречаются в природе и технике. В первой главе изложена теория, вторая — физическим и химическим факторам и примерам.

Мы опирались на школьные учебники физики, курс общей физики Д. В. Сивухина и популярные книги о поверхностных явлениях. Формулы в реферате мы приводим только там, где без них объяснение было бы неполным.

Глава 1. Теоретические основы смачивания и капиллярности

1.1 Основные понятия и определения

Всё начинается с поверхностного натяжения. Молекула внутри жидкости окружена соседями со всех сторон, и силы притяжения уравновешены, а молекула на поверхности притягивается только внутрь. Поэтому поверхность жидкости ведёт себя как натянутая плёнка, которая стремится сократиться (отсюда круглая форма маленьких капель и мыльных пузырей).

Для воды при 20 °C поверхностное натяжение равно примерно 0,073 Н/м, и это много по сравнению с большинством других жидкостей. У спирта оно втрое меньше, у ртути, наоборот, в шесть-семь раз больше. Именно высокое поверхностное натяжение позволяет водомерке бегать по пруду, не проваливаясь.

Когда капля лежит на твёрдой поверхности, в игру вступают три границы: жидкость — газ, твёрдое тело — газ и твёрдое тело — жидкость. У каждой своё поверхностное натяжение, и капля принимает такую форму, при которой силы уравновешены. Это равновесие в 1805 году описал английский учёный Томас Юнг (тот самый, что доказал волновую природу света).

Уравнение Юнга связывает три поверхностных натяжения с краевым углом θ, то есть углом между поверхностью твёрдого тела и касательной к поверхности капли в точке их встречи. Записывается оно так: cos θ = (σтг − σтж) / σжг. Если краевой угол маленький, жидкость смачивает поверхность; если больше 90°, не смачивает.

С капиллярностью люди познакомились задолго до Юнга. Ещё Леонардо да Винчи в своих записях упоминал подъём воды в тонких трубках, а в 1718 году английский врач и физик Джеймс Жюрен экспериментально установил, что высота подъёма обратно пропорциональна радиусу трубки. Этот вывод теперь называют законом Жюрена.

Формула закона выглядит так: h = 2σ·cosθ / (ρgr), где σ — поверхностное натяжение, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, r — радиус капилляра. На рисунке 1 показан расчёт по этой формуле для воды в чистой стеклянной трубке.

Рисунок 1 – Высота подъёма воды в стеклянном капилляре по закону Жюрена, см

Примечание — расчёт по формуле h = 2σ·cosθ/(ρgr) для воды при 20 °C (σ = 0,0728 Н/м, θ = 0°); реальные значения немного меньше из-за загрязнений.

Из графика видно, что зависимость очень резкая. В трубке радиусом 1 мм вода поднимается всего на полтора сантиметра, а в трубке потоньше, радиусом 0,1 мм, уже почти на пятнадцать. В порах почвы и древесины, где радиусы измеряются микрометрами, теоретическая высота подъёма достигает нескольких метров.

Этого, кстати, недостаточно, чтобы объяснить, как вода попадает на вершину секвойи высотой больше ста метров. Капиллярность помогает, но главную работу делает испарение воды листьями: оно буквально вытягивает непрерывные столбики воды из корней по тончайшим сосудам. Такое объяснение называют теорией сцепления и натяжения, и школьные учебники биологии его тоже упоминают.

1.2 Типы смачивания и их характеристики

Обычно различают три случая. При полном смачивании краевой угол близок к нулю, и жидкость растекается по поверхности тонкой плёнкой (вода на тщательно вымытом стекле, керосин почти на любом металле). При частичном смачивании угол острый, капля приплюснута, но не растекается до конца.

При несмачивании угол больше 90°, и капля стремится собраться в шар. Классические примеры — ртуть на стекле и вода на парафине. В капилляре такая жидкость опускается ниже уровня в сосуде, а её мениск выгибается вверх, а не вниз.

Отдельно стоит сказать о сверхгидрофобных поверхностях, у которых краевой угол воды больше 150°. Самый известный пример из природы — лист лотоса. В 1997 году немецкий ботаник Вильгельм Бартлотт описал, что поверхность листа покрыта микроскопическими бугорками и воском, капля лежит только на их вершинах и, скатываясь, уносит с собой пыль. Это явление назвали «эффектом лотоса», и по его образцу сейчас делают самоочищающиеся краски и стёкла.

В технике чаще нужно как раз хорошее смачивание. Любой, кто хоть раз паял, видел, как капля олова на грязном проводе скатывается шариком и не держится (это и есть несмачивание). Поэтому место пайки зачищают и смазывают флюсом, например канифолью: флюс растворяет оксидную плёнку, краевой угол уменьшается, и припой растекается по меди.

Тип смачивания определяется не только веществами, но и состоянием поверхности. Достаточно потрогать чистое стекло пальцем, и на жирном отпечатке капля воды уже не растечётся (это легко проверить дома). Шероховатость усиливает исходное свойство: гидрофильная поверхность от неё становится ещё более смачиваемой, а гидрофобная — ещё более водоотталкивающей.

У водоплавающих птиц перья покрыты жиром из копчиковой железы, и вода их почти не смачивает. Поэтому утка, вынырнув, просто встряхивается и оказывается сухой. А если в воду попадает нефть, она смывает этот жир, перья намокают, и птица теряет способность держаться на воде и сохранять тепло.

Смачивание и капиллярность используют и при проверке деталей на заводах. Метод называется капиллярной дефектоскопией: на поверхность детали наносят ярко окрашенную или светящуюся жидкость, которая хорошо смачивает металл и затекает в мельчайшие трещины. Потом поверхность протирают и покрывают белым порошком-проявителем, и жидкость, вытянутая из трещины обратно, рисует на нём тонкую цветную линию.

Так проверяют, например, лопатки турбин и сварные швы, где трещину шириной в несколько микрометров глазом не увидеть. Получается, что то же самое явление, из-за которого сахар темнеет в чае, помогает находить дефекты в самолётных двигателях.