Реферат на тему «Капиллярные явления»

Введение

Капиллярными явлениями называют подъём или опускание жидкости в очень узких трубках и щелях, а также её движение по порам пористых тел. Слово происходит от латинского capillus, «волос», потому что первые наблюдения делались на стеклянных трубках толщиной с волос. С этими явлениями мы сталкиваемся постоянно, хотя редко называем их по имени: салфетка впитывает пролитый чай, керосин поднимается по фитилю лампы, вода из почвы доходит до корней и выше по стеблю, а кирпичная стена у фундамента темнеет от сырости, если под ней нет гидроизоляции.

Объяснение капиллярности опирается на две величины, знакомые из курса молекулярной физики, поверхностное натяжение и смачивание. Молекулы жидкости притягиваются друг к другу, и поверхностный слой ведёт себя как слегка натянутая плёнка, которая стремится сократить свою площадь. Если жидкость смачивает стенку сосуда, её притяжение к стенке сильнее, чем притяжение молекул между собой, и поверхность у стенки загибается вверх. В узкой трубке такой изогнутый мениск тянет за собой весь столбик жидкости, пока вес столбика не уравновесит силу поверхностного натяжения.

История изучения капиллярности длинная. Подъём воды в узких трубках описывал ещё Леонардо да Винчи, в XVII веке опыты с капиллярами ставил Роберт Бойль, а в 1718 году английский врач и естествоиспытатель Джеймс Жюрен показал, что высота подъёма обратно пропорциональна диаметру трубки. Строгую теорию, связавшую подъём с кривизной поверхности, в начале XIX века построили Томас Юнг и Пьер-Симон Лаплас. Сегодня их результат записывают как h = 2σ·cos θ / (ρ·g·r), где σ — коэффициент поверхностного натяжения, θ — краевой угол смачивания, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, r — радиус трубки, и называют формулой Жюрена.

Из формулы сразу видно, что при уменьшении радиуса вдвое высота подъёма вдвое растёт. Для трубок толщиной в несколько миллиметров эффект едва заметен, а в порах размером в сотые доли миллиметра столбик воды держится на высоте человеческого роста. Чтобы оценить масштаб, удобно подставить в формулу данные для чистой воды при 20 °C в стеклянном капилляре, где смачивание почти полное и cos θ можно считать равным единице. Получившиеся значения собраны в таблице 1.

Таблица 1 — Расчётная высота подъёма воды в стеклянном капилляре при 20 °C

Реальные поры не похожи на гладкие стеклянные трубки, они извилисты, сужаются и расширяются, а вода в почве содержит соли и органические вещества, так что настоящий подъём всегда ниже расчётного. Но и грубой оценки хватает, чтобы понять, почему глина подтягивает влагу снизу на метр и больше, а сквозь песок вода проваливается почти сразу. На том же принципе работают вещи, о которых мы обычно не задумываемся: перьевая ручка, медицинская тест-полоска, бумажное полотенце, дренаж под дорожным полотном. А строителям приходится решать обратную задачу и прерывать капиллярный подсос влаги в стены, иначе кладка десятилетиями остаётся сырой.

В реферате поставлена цель объяснить, как устроены капиллярные явления и где человек встречается с ними в природе и технике. Сначала разобраны поверхностное натяжение и смачивание, без которых капиллярность не понять, затем формула высоты подъёма и её следствия. Отдельные главы отведены капиллярам в почве и растениях, а также тому, как инженеры используют капиллярные силы в фитилях и тканях и как борются с ними, защищая фундаменты от сырости. Объектом исследования служат поверхностные явления в жидкостях, предметом — движение жидкости в капиллярах и пористых телах; основой для работы стали учебники физики, справочники и научно-популярные книги.

Глава 1. Физические основы капиллярности

1.1. Поверхностное натяжение

Молекула внутри жидкости окружена соседями со всех сторон, и силы притяжения, действующие на неё, в среднем уравновешены. У молекулы на поверхности соседи есть только снизу и сбоку, поэтому равнодействующая сил направлена внутрь жидкости. Чтобы вывести молекулу из глубины на поверхность, нужно совершить работу против этих сил, и потому поверхностный слой обладает избыточной энергией. Жидкость, как любая система, стремится к минимуму энергии и сокращает площадь поверхности, отсюда шарообразная форма маленьких капель и мыльных пузырей.

Количественно это свойство описывает коэффициент поверхностного натяжения σ. Его можно определить двумя равноценными способами: как силу, действующую на единицу длины границы поверхности, или как энергию, приходящуюся на единицу её площади. В системе СИ он измеряется в ньютонах на метр, а в справочниках чаще в миллиньютонах на метр. У воды при комнатной температуре σ составляет около 72,8 мН/м, это одно из самых больших значений среди обычных жидкостей, если не считать расплавленных металлов и ртути.

Как видно из рисунка 1, вода «натянута» почти втрое сильнее спирта и ацетона. Это объясняется водородными связями между её молекулами, которые заметно прочнее обычного межмолекулярного притяжения в органических жидкостях. Поверхностное натяжение уменьшается при нагревании, а также при добавлении поверхностно-активных веществ, то есть мыла и моющих средств. Именно поэтому горячая мыльная вода лучше проникает в ткань и мелкие щели, чем холодная чистая: ей легче растекаться по поверхности.

Наглядно поверхностное натяжение показывают простые опыты. Стальная иголка, осторожно положенная на воду, не тонет, хотя сталь почти в восемь раз плотнее воды, а водомерки бегают по поверхности пруда, лишь продавливая плёнку лапками. Если коснуться воды рядом с иголкой кусочком мыла, плёнка ослабевает и иголка сразу идёт ко дну. Эти опыты подготавливают к пониманию капиллярности, потому что в узкой трубке действует та же сила, только направлена она вдоль стенки.

1.2. Смачивание и краевой угол

Капля на твёрдой поверхности может растекаться тонким слоем или собираться в шарик, и это зависит от соотношения двух сил притяжения: молекул жидкости друг к другу и молекул жидкости к молекулам твёрдого тела. Количественной мерой служит краевой угол θ, который образует поверхность капли с поверхностью твёрдого тела в точке их соприкосновения. Если θ меньше 90°, говорят, что жидкость смачивает поверхность, если больше 90°, то не смачивает. Вода на чистом стекле даёт угол, близкий к нулю, а на парафине или листе капусты собирается в почти круглые капли с углом больше 100°.

Форму мениска в трубке легко увидеть невооружённым глазом. Вода в стеклянной мензурке у стенок приподнимается и образует вогнутую поверхность, поэтому в школе учат снимать показания по нижнему краю мениска. Со ртутью в старом барометре всё наоборот: она стекла не смачивает, её поверхность выгнута горбом, а в тонкой трубке уровень ртути оказывается ниже, чем в чашке. Формула Жюрена описывает оба случая сразу, потому что при угле больше 90° косинус становится отрицательным и «подъём» превращается в опускание.

Смачиваемостью поверхности люди научились управлять задолго до появления физики поверхностных явлений. Ткань для плащей пропитывали воском и маслом, чтобы вода скатывалась с неё, а сегодня для той же цели используют фторсодержащие пропитки. В горном деле с конца XIX века применяют флотацию: руду измельчают, смешивают с водой и реагентами, и пузырьки воздуха прилипают к плохо смачиваемым частицам ценного минерала, вынося их в пену, тогда как пустая порода оседает. Так одно и то же свойство, краевой угол, оказывается важным и для дождевика, и для обогатительной фабрики.

Остаётся сказать о том, как измеряют поверхностное натяжение, ведь без точных значений σ все расчёты по формуле Жюрена теряют смысл. В школьной лаборатории чаще всего используют метод отрыва капель: жидкость медленно вытекает из узкой трубки, и по массе капли и диаметру трубки находят σ. Более точные приборы, тензиометры, измеряют силу, с которой тонкое кольцо или пластинка отрываются от поверхности жидкости. Сам капилляр тоже служит измерительным прибором: зная радиус трубки и высоту подъёма, можно вычислить σ, обратив формулу, и именно так поступали исследователи XIX века.