§ 8-2. Смачивание. Капиллярные явления

Смачивание. На границе соприкосновения твёрдых тел, жидкостей и газов наблюдаются явления смачивания или несмачивания, которые являются результатом взаимодействия между молекулами жидкости, твёрдого тела и газа. Они приводят к искривлению поверхности жидкости около поверхности твёрдого тела на границе с газом. При контакте жидкости с твёрдым телом возможны случаи, когда жидкость смачивает (частично или полностью) или не смачивает (частично или полностью) его. Так, ртуть хорошо смачивает чистые поверхности металлов и не смачивает чистое стекло. Вода хорошо смачивает чистое стекло и не смачивает жирные поверхности.

Свободная поверхность жидкости на границе с твёрдым телом искривляется, образуя мениск. Если жидкость смачивает поверхность тела, образуется вогнутый мениск (рис. 57.3, а), если не смачивает — выпуклый мениск (рис. 57.3, б). На границе соприкосновения трёх сред — твёрдой, жидкой и газообразной — жидкость принимает такую форму, при которой сумма потенциальной энергии жидкости в гравитационном поле Земли и поверхностной энергии всех тел минимальна (твёрдые тела также обладают поверхностной энергией). Поверхностное натяжение на границе твёрдого тела и жидкости обозначают σ_тж, на границе твёрдого тела и газа — σ_тг, на границе жидкости и газа — σ_жг. Если σ_тг ≥ σ_тж + σ_жг, то жидкость полностью смачивает поверхность твёрдого тела, покрывая его тонкой плёнкой. Если σ_тж ≥ σ_тг + σ_жг, то жидкость полностью не смачивает поверхность твёрдого тела, стягиваясь в каплю, несколько сплюснутую действием силы тяжести и силы реакции опоры. В большинстве случаев имеет место частичное смачивание (рис. 57.4, а) или частичное несмачивание (рис. 57.4, б).

От теории к практике

1. Почему капля воды или масла растекается по поверхности дерева, а капля ртути не растекается (рис. 57.5)?

2. Почему перед окраской поверхность предварительно грунтуют — покрывают олифой?

Явление смачивания используют в промышленности и в быту. Хорошее смачивание необходимо при окраске и мытье разных тканей, нанесении лакокрасочных покрытий и т. д. На явлении смачивания основано склеивание различных изделий. Покрытие металлических изделий масляной плёнкой для их защиты от коррозии основано на несмачивании водой жирных поверхностей. Непромокаемую одежду изготавливают из тканей, которые не смачиваются водой (рис. 57.6). Со свойством смачивания связана пайка металлов. Чтобы расплавленный припой хорошо растекался по поверхности металлических изделий и прилипал к ним, нужно эти поверхности очистить от жира, пыли и оксидной плёнки.

Капиллярные явления. Под капиллярными явлениями понимают подъём или опускание жидкости в узких трубках, называемых капиллярами. Если жидкость смачивает капилляр, то при его частичном погружении в сосуд с этой жидкостью её уровень в капилляре выше, чем в сосуде (рис. 57.7, а). При несмачивании уровень жидкости в капилляре устанавливается ниже уровня жидкости в сосуде (рис. 57.7, б). Такое явление наблюдают, например, при частичном погружении стеклянного капилляра в ртуть.

Высота подъёма (опускания) жидкости в капилляре зависит от свойств жидкости (плотности, наличия примесей, температуры) и радиуса капилляра, а также вещества, из которого он изготовлен (рис. 57.8). Если жидкость полностью смачивает капилляр, то высоту её подъёма в капилляре определяют по формуле

где r — радиус капилляра, σ — поверхностное натяжение жидкости, ρ — плотность жидкости. Если жидкость полностью не смачивает капилляр, то h — глубина, на которую она опускается в капилляре.

Капиллярные явления играют значительную роль в природе и технике. Так, ствол, ветви, стебель и листва растений пронизаны множеством капиллярных каналов, по которым поступают питательные вещества. По капиллярам в почве грунтовые воды поднимаются к корневой системе растений. Мелкие кровеносные сосуды человека и животных можно также рассматривать как капилляры. Капиллярные явления довольно часто встречаются и в быту. Полотенца хорошо впитывают воду при вытирании, в авторучке чернила поступают к перу по капилляру. Чтобы избежать поглощения воды кожаной обувью, её обрабатывают специальными водоотталкивающими средствами. Капиллярные явления лежат в основе множества технических процессов: при смазке деталей машин и механизмов применяют фитильный способ; при окраске кожи и тканей краска заполняет капилляры изделия; чтобы избежать капиллярного подъёма воды из почвы, при строительстве домов фундамент отделяют от стен рубероидом или битумом.

1.Чем вызвано искривление поверхности жидкости вблизи стенок сосуда?

2. Что понимают под капиллярными явлениями?

3. От чего зависит высота подъёма (опускания) жидкости в капиллярах?

4. Почему при пайке оловянным припоем поверхность металла тщательно зачищают?

5. Весной землю пашут и боронуют. Объясните, почему это способствует сохранению влаги в почве?

Упражнение 5.2

1. В стебле пшеницы вода по капилляру поднимается на высоту h = 1,0 м. Определите радиус капилляра, если смачивание полное. Плотность и поверхностное натяжение воды и соответственно.

2. В вертикально расположенных сообщающихся капиллярах, внутренние диаметры которых d₁ = 0,60 мм и d₂ = 1,20 мм, находится ртуть. Определите разность уровней ртути в капиллярах, если она полностью не смачивает поверхность капилляров. Плотность и поверхностное натяжение ртути и соответственно.

3. Одну из двух одинаковых капиллярных трубок опускают в воду, а другую — в жидкость, поверхностное натяжение которой . Вода в первой трубке поднялась на высоту h_в = 15 см, а жидкость во второй трубке — на h_ж = 5,7 см. Определите плотность жидкости, если она полностью смачивает трубку. Плотность и поверхностное натяжение воды и соответственно.

4. Определите массу воды, поднявшейся по вертикально расположенному капилляру радиусом r = 0,40 мм. Поверхностное натяжение воды .

5. В длинную открытую с обоих концов тонкостенную капиллярную трубку, расположенную вертикально, впрыснули максимально возможное количество воды, образовавшей столбик высотой h = 3 см. Определите радиус трубки, если вода полностью смачивает трубку. Плотность и поверхностное натяжение воды и соответственно.