Чем вызвано искривление поверхности жидкости вблизи стенок сосуда

Силы, возникающие на кривой поверхности жидкости.
Молекула находится в равновесии, если эта сила направлена перпендикулярно к поверхности жидкости.
Рис.20.4
При смачивании сила направлена в сторону стенки.
Если жидкость не смачивает стенку, то сила направлена в сторону жидкости.
Искривление поверхности жидкости (например, вблизи стенки сосуда) приводит к появлению сил, действующих на жидкость под этой поверхностью и к повышению давления внутри жидкости.
Рассмотрим сферическую каплю жидкости с радиусом сферы r (рис. 20.5). при уменьшении радиуса капли свободная энергия уменьшается и жидкость под сферической поверхностью всегда испытывает дополнительное давление, направленное внутрь.
Пусть под действием этого давления капля уменьшит свой объем на dV, (рис.). Работа сжатия жидкости произведена, очевидно, за счет уменьшения свободной энергии.
Рис.20.5
Работа сжатия dA равна
dA = pdV. (20.14)
где р – давление. Уменьшение свободной энергии
dF =σdS, (20.15)
где dS – уменьшение поверхности шара, соответствующее уменьшению радиуса на dr. Из известных формул для поверхности и объема шара
получим выражения:
.
Подставляя эти значения для dS и dV в уравнения (20.14) и (20.15) и принимая во внимание, что модули dA и dF равны, получим:
.
Отсюда следует выражение для давления, оказываемого на жидкость искривленной сферической поверхностью:
. (20.16)
Аналогично можно получить выражение для цилиндрической поверхности жидкости:
.
Для поверхности любой формы давление, обусловленное кривизной поверхности, выражается уравнением Лапласа:
,
где r1 и r2 – радиусы кривизны любых взаимно перпендикулярных сечений в данной точке поверхности/
Если жидкость находится в узком сосуде, влияние стенок простирается на всю поверхность жидкости. Если размеры сосуда, в котором находится жидкость, или, если расстояние между поверхностями, ограничивающими жидкость, сравнимы с радиусом кривизны поверхности жидкости, то такие сосуды называются капиллярными.Явления, происходящие в узких сосудах, называются капиллярными явлениями.
Дополнительное давление Лапласа вызываеткапиллярный подъем.
Рис.20.5
Случай смачивания
Вследствие давления, вызванного кривизной поверхности, жидкость, заполняющая трубку, испытывает давление р, направленное к центру кривизны мениска, т. е. вверх, и равное 2σ/r0. Под действием этого давления жидкость поднимается по трубке до уровня h, при котором гидростатическое давление ρgh столба жидкости высотой h уравновешивает давление р.
Условие равновесия:
. (20.17)
где ρ – плотность жидкости, а g – ускорение силы тяжести. Это равенство определяет высоту подъема жидкости в капилляре.
Найдем связь между высотой подъема h и радиусом трубки r. Центр сферы, частью которой является мениск, находится в точке О. Из чертежа следует
.
Поэтому (20.17) перепишется в виде
.
Отсюда
. (20.18)
Из (20.18) следует, что, высота подъема жидкости в капилляре растет с уменьшением радиуса. капилляра и с увеличением коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Капиллярным подъемом объясняются такие известные явления как впитывание жидкости фильтровальной бумагой, перенос керосина вдоль фитиля, волокна которого также являются тонкими капиллярами, перенос жидкости в пористых телах. Капиллярные силы обеспечивают подъем воды из почвы по стволам деревьев, где волокна древесины играют роль тонких капилляров.
Источник
Капиллярные явления
Искривление поверхности жидкости у краев сосуда особенно отчетливо видно в узких трубках, где искривляется вся свободная поверхность жидкости. В трубках с узким сечением эта поверхность представляет собой часть сферы, ее называют мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 1, а), а у несмачивающей – выпуклый (рис. 1, б). Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь поперечного сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться.
Рис. 1
Силы поверхностного натяжения создают дополнительное (лапласово) давление под искривленной поверхностью жидкости.
Для расчета избыточного давления предположим, что поверхность жидкости имеет форму сферы радиуса R (рис. 2. а), от которой мысленно отсечен шаровой сегмент, опирающийся на окружность радиуса r = R sin α.
Рис. 2
На каждый бесконечно малый элемент длины Δl этого контура действует касательная к поверхности сферы сила поверхностного натяжения, модуль которой (~Delta F = alpha Delta l). Разложим вектор (~Delta vec F) на две составляющие силы (~Delta vec F_1) и (~Delta vec F_2). Из рисунка 2, а видим, что геометрическая сумма сил (~Delta vec F_2) для двух выделенных диаметрально противоположных элементов Δl равна нулю. Поэтому сила поверхностного натяжения направлена перпендикулярно плоскости сечения внутрь жидкости (рис. 2, в) и модуль ее равен
(~F = sum Delta F_1 = sum Delta F sin alpha = sum alpha Delta l frac rR = frac{alpha r}{R} sum Delta l = frac{alpha r}{R} cdot 2 pi r = frac{2 alpha pi r^2}{R} .)
Избыточное давление, создаваемое этой силой[~p = frac FS], где S = πr2 – площадь основания сферического сегмента. Поэтому
(~p = frac{2 alpha pi r^2}{R cdot pi r^2} = frac{2 alpha}{R} .)
Если поверхность жидкости вогнутая, то сила поверхностного натяжения направлена из жидкости (рис. 2, б) и давление под вогнутой поверхностью жидкости меньше, чем под плоской, на ту же величину (~p = frac{2 alpha}{R}) . Эта формула определяет лапласово давление для случая сферической формы свободной поверхности жидкости. Она является частным случаем формулы Лапласа, определяющей избыточное давление для произвольной поверхности жидкости двоякой кривизны:
(~p = alpha left( frac{1}{R_1} + frac{1}{R_2} right),)
где R1 и R2 – радиусы кривизны двух любых взаимно перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости. Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости. Для цилиндрической поверхности (R1 = l; R2 = ∞) избыточное давление (~p = frac{alpha}{R}) .
Если поместить узкую трубку (капилляр) одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие наличия силы лапласова давления жидкость в капилляре поднимается (если жидкость смачивающая) или опускается (если жидкость несмачивающая) (рис. 3, а, б), так как под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет.
Рис. 3
Явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах называются капиллярными явлениями.
Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту h, при которой сила гидростатического давления столба жидкости уравновешивается силой избыточного давления, т.е.
(~frac{2 alpha}{R} = rho gh .)
Откуда (~h = frac{2 alpha}{rho gR}). Если смачивание не полное θ ≠ 0 (θ ≠ 180°), то, как показывают расчеты, (~h = frac{2 alpha}{rho gR} cos theta).
Капиллярные явления весьма распространены. Поднятие воды в почве, система кровеносных сосудов в легких, корневая система у растений, фитиль и промокательная бумага – капиллярные системы.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. – Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. – C. 182-184.
Источник
Авторы: А. М. Емельяненко, Н. В. Чураев
КАПИЛЛЯ́РНЫЕ ЯВЛЕ́НИЯ, совокупность явлений, обусловленных поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред (в системах жидкость – жидкость, жидкость – газ или пар) при наличии искривления поверхности. Частный случай поверхностных явлений.
Рис. 1.
При отсутствии силы тяжести жидкость ограниченной массы под воздействием поверхностного натяжения стремится занять объём с миним. поверхностью, т. е. принимает форму шара. В условиях действия силы тяжести не слишком вязкая жидкость достаточной массы принимает форму сосуда, в который налита, и её свободная поверхность при относительно большой площади (вдали от стенок сосуда) становится плоской, т. к. роль поверхностного натяжения менее существенна, чем силы тяжести. При взаимодействии с поверхностью др. жидкости или твёрдого тела (напр., со стенками сосуда) поверхность рассматриваемой жидкости искривляется в зависимости от наличия или отсутствия смачивания. Если имеет место смачивание, т. е. молекулы жидкости 1 (рис. 1) сильнее взаимодействуют с молекулами поверхности 3, чем с молекулами др. жидкости (или газа) 2, то под воздействием разности сил межмолекулярного взаимодействия жидкость 1 поднимается по стенке сосуда – участок жидкости, примыкающий к стенке, искривляется. Давление, вызываемое подъёмом жидкости, уравновешивается капиллярным давлением $Delta p$ – разностью давлений над и под искривлённой поверхностью раздела. Величина капиллярного давления зависит от среднего радиуса $r$ кривизны поверхности и определяется формулой Лапласа: $Delta p=2 sigma/r$, где $sigma$ – поверхностное натяжение. Если граница раздела фаз плоская ($r= infty$), то в условиях механич. равновесия системы давления с обеих сторон границы раздела равны и $Delta p=0$. В случае вогнутой поверхности жидкости ($r lt 0$) давление в жидкости ниже, чем давление в граничащей с ней фазе и $Delta p lt 0$; для выпуклой поверхности ($r>0$) $Delta p>0$.
Если стенки сосуда приблизить друг к другу, зоны искривления поверхности жидкости образуют мениск – полностью искривлённую поверхность. Образовавшаяся система называется капилляром; в нём в условиях смачивания давление под мениском понижено и жидкость в капилляре поднимается (над уровнем свободной поверхности жидкости в сосуде); вес столба жидкости высотой $h$ уравновешивает капиллярное давление $Delta p$. Несмачивающая жидкость в капилляре образует выпуклый мениск, давление над которым выше, и жидкость в нём опускается ниже уровня свободной поверхности вне капилляра. Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре относительно свободной поверхности (где $r= infty$ и $Delta p=0$) определяется соотношением: $h=2 sigma cos theta/ Delta rho gr$, где $theta$ – краевой угол (угол между касательной к поверхности мениска и стенкой капилляра), $Delta rho$ – разность плотностей жидкости 1 в капилляре и внешней среды 2, $g$ – ускорение свободного падения.
Искривление поверхности влияет на условия равновесия между жидкостью и её насыщенным паром: согласно Кельвина уравнению, давление паров над каплей жидкости повышается с уменьшением её радиуса, что объясняет, напр., рост больших капель в облаках за счёт малых.
Рис. 2.
К характерным К. я. относятся капиллярное впитывание, появление и распространение капиллярных волн, капиллярное передвижение жидкости, капиллярная конденсация, процессы испарения и растворения при наличии искривлённой поверхности. Капиллярное впитывание характеризуется скоростью, зависящей от капиллярного давления и вязкости жидкости. Оно играет существенную роль в водоснабжении растений, движении воды в почвах и др. процессах, связанных с движением жидкостей в пористых средах. Капиллярная пропитка – один из распространённых процессов химич. технологии. В системах с непараллельными стенками (или капиллярах конич. сечения) кривизна менисков зависит от расположения в них граничных поверхностей жидкости, и капля смачивающей жидкости в них начинает двигаться к мениску с меньшим радиусом (рис. 2), т. е. в ту сторону, где давление ниже. Причиной капиллярного передвижения жидкости может служить и разница сил поверхностного натяжения в менисках, напр. при существовании градиента темп-ры или при адсорбции поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение.
Капиллярной конденсацией называют процесс конденсации пара в капиллярах и микротрещинах пористых тел, а также в промежутках между сближенными твёрдыми частицами или телами. Необходимое условие капиллярной конденсации – наличие смачивания поверхности тел (частиц) конденсирующейся жидкостью. Процессу капиллярной конденсации предшествует адсорбция молекул пара поверхностью тел и образование менисков жидкости. В условиях смачивания форма менисков вогнутая и давление $p$ насыщенного пара над ними ниже, чем давление насыщенного пара $p_0$ при тех же условиях над плоской поверхностью. Т. е. капиллярная конденсация происходит при более низких, чем $p_0$, давлениях.
Искривление поверхности жидкости может существенно влиять на процессы испарения, кипения, растворения, зародышеобразования при конденсации пара и кристаллизации. Так, свойства систем, содержащих большое количество капель или пузырьков газа (эмульсий, аэрозолей, пен), и их формирование во многом определяются К. я. Они лежат также в основе мн. технологич. процессов: флотации, спекания порошков, вытеснения нефти из пластов водными растворами поверхностно-активных веществ, адсорбционного разделения и очистки газовых и жидких смесей и т. п.
Впервые К. я. были исследованы Леонардо да Винчи. Систематич. наблюдения и описания К. я. в тонких трубках и между плоскими, близко расположенными стеклянными пластинами провёл в 1709 Ф. Хоксби, демонстратор Лондонского королевского об-ва. Основы теории К. я. заложены в трудах Т. Юнга, П. Лапласа, а их термодинамич. рассмотрение осуществил Дж. Гиббс (1876).
Источник
КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ – совокупность явлений, обусловленных действием межфазного поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред; к К. я. обычно относят явления в жидкостях, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с др. жидкостью, газом или собств. паром. К. я.- частный случай поверхностных явлений. В отсутствие силы тяжести поверхность жидкости искривлена всегда. Под воздействием поверхностного натяжения ограниченный объём жидкости стремится принять форму шара, т. е. занять объём с мин. поверхностью. Силы тяжести существенно меняют картину. Жидкость с относительно малой вязкостью быстро принимает форму сосуда, в к-рый налита, причём её свободная поверхность (не граничащая со стенками сосуда) в случае достаточно больших масс жидкости и большой площади свободной поверхности практически плоская. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения становится более существенной, чем сила тяжести. Так, напр., при дроблении жидкости в газе (или газа в жидкости) образуются капли (пузырьки) сферич. формы. Свойства систем, содержащих большое кол-во капель или пузырьков (эмульсии, жидкие аэрозоли, пены), и условия их формирования во многом определяются кривизной поверхности этих образований, то есть К. я. Большую роль К. я. играют и в зародышеобразовании при конденсации пара, кипении жидкостей, кристаллизации. Искривление поверхности жидкости может происходить также в результате её взаимодействия с поверхностью др. жидкости или твёрдого тела. В этом случае существенно наличие или отсутствие смачивания жидкостью этой поверхности. Если имеет место смачивание, т. е. молекулы жидкости 1 (рис. 1) сильнее взаимодействуют с поверхностью твёрдого тела 3, чем с молекулами др. жидкости (или газа) 2, то под воздействием разности сил межмолекулярного взаимодействия жидкость поднимается по стенке сосуда и примыкающий к твёрдому телу участок поверхности жидкости будет искривлён. Гидростатич. давление, вызванное подъёмом уровня жидкости, уравновешивается капиллярным давлением – разностью давлений над и под искривлённой поверхностью, величина к-рого связана с локальной кривизной поверхности жидкости. Если сближать плоские стенки сосуда с жидкостью, то зоны искривления перекроются и образуется мениск – полностью искривлённая поверхность. В таком капилляре в условиях смачивания под вогнутым мениском давление понижено, жидкость поднимается; вес столба жидкости вые. h0 уравновешивает капиллярное давление Dр. В условиях равновесия
где r1 и r2 – плотности жидкости 1 и газа 2, s12 – межфазное поверхностное натяжение, g-ускорение свободного падения, r-радиус средней кривизны поверхности мениска (1/r=1/R1+1/R2, где R1 и R2 – радиусы кривизны мениска в двух взаимно перпендикулярных плоскостях сечения). Для смачивающей жидкости r<0 и h0>0. Несмачивающая жидкость образует выпуклый мениск, капиллярное давление под к-рым положительно, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня свободной поверхности жидкости (h0<0). Радиус кривизны r связан с радиусом капилляра rк соотношением r=-rк/cosq, где q – краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра. Из ур-ния (1) можно получить т. н. капиллярную постоянную а – величину, характеризующую размеры системы L<а, при к-рых становятся существенными К. я.: Для воды при темп-ре 20 °С а=0,38 см. К К. я. относятся капиллярное впитывание, появление и распространение капиллярных волн, капиллярное передвижение жидкости, капиллярная конденсация, процессы испарения и растворения при наличии искривлённой поверхности. Для капиллярного впитывания важной характеристикой является его скорость v, определяемая величиной капиллярного давления и вязким сопротивлением течению жидкости в капилляре. Скорость v изменяется со временем впитывания t, и для вертикально расположенного капилляра
где h(t) – положение мениска в момент времени t (рис. 1), h – коэф. вязкости жидкости. При впитывании в горизонтальный капилляр
При v>10-3 см/с следует учитывать возможную зависимость краевого угла q от v, а в нек-рых случаях – вязкое сопротивление вытесняемого из капилляра газа (или др. жидкости). Скорость капиллярного впитывания играет существ, роль в водоснабжении растений, движении жидкости в почвах и др. пористых телах. Капиллярная пропитка – один из распространённых процессов хим. технологии. Искривление свободной поверхности жидкости под действием внеш. сил (напр., ветра, вибрации) вызывает появление и распространение капиллярных волн (“ряби” на поверхности жидкости). Самопроизвольное образование поверхностных волн – флуктуации толщины тонких слоев жидкости (струи, плёнки) – является причиной их неустойчивости по отношению к состоянию капель или капиллярного конденсата. Разность капиллярного давления, возникающая в результате разл. кривизны поверхностей менисков, может вызывать капиллярное передвижение жидкости (рис. 2).
Для смачивающих жидкостей поток жидкости направлен к мениску с меньшим радиусом кривизны (т. е. в сторону меньшего давления). Причиной капиллярного передвижения может быть не только градиент кривизны, но и градиент поверхностного натяжения жидкости Так, градиент темп-ры приводит к разности поверхностного натяжения и, следовательно, к разности капиллярного давления в жидкости (термокапиллярное течение). Этим же объясняется движение капель жидкости и пузырьков газа в неравномерно нагретой среде: под влиянием градиента поверхностного натяжения приходит в движение поверхность пузырьков или капель. Аналогичный эффект наблюдается и при изменении s12 при адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ): ПАВ снижают s12 и жидкость перемещается в том направлении, где адсорбция ПАВ на поверхности жидкости меньше (эффект Марангони – Гиббса). Искривление поверхности раздела фаз приводит к изменению величины равновесного давления пара р над ней или растворимости твёрдых тел. Так, напр., над каплями жидкости р выше, чем давление насыщ. пара ps над плоской поверхностью жидкости при той же темп-ре Т. Соответственно растворимость с мелких частиц в окружающей среде выше, чем растворимость cs плоской поверхности того же вещества. Эти изменения описываются Кельвина уравнением ,полученным из условия равенства хим. потенциалов в смежных фазах в состоянии термодинамич. равновесия:
где V – молярный объём жидкости или твёрдого тела. Для шарообразных частиц г по абс. величиче равно их радиусу. Понижение или повышение р и с зависит, в соответствии с (4), от знака r (r>0 для выпуклых, и r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p<ps.
Ур-ние (4) определяет направление переноса вещества (от больших значений р и с к меньшим) в процессе перехода системы к состоянию термодинамич. равновесия. Это приводит, в частности, к тому, что крупные капельки (или частицы) растут за счёт испарения (растворения) более мелких, а неровные поверхности (при условии постоянства межфазного натяжения) сглаживаются за счёт испарения (растворения) выступов и заполнения впадин. Заметные отличия давления и растворимости имеют место лишь при достаточно малых r (для воды, напр., при |r|[0,1 мкм). Поэтому ур-ние Кельвина часто используется для характеристики состояния малых объектов (коллоидные системы, тонкопористые тела, зародыши новой фазы). Капиллярная конденсация – процесс перехода пара в жидкость, заполняющую капилляры, щели или промежутки между частицами, с образованием вогнутых капиллярных менисков. Необходимое условие капиллярной конденсации – смачивание жидкостью поверхности конденсации, ей предшествует адсорбция молекул пара на поверхности. Степень заполнения капилляров или пористых тел капиллярно-конденсированной жидкостью описывается ур-нием Кельвина (подробнее см. в ст. Капиллярная конденсация ).Отрицат. капиллярное давление (Dр<0) может удерживать смачиваемые жидкостью частицы (рис. 3). Если яастицы дисперсного тела не связаны прочно, возможна его объёмная деформация под действием капиллярных сил – капиллярная контракция. Так, напр., рост капиллярного давления при высушивании может приводить к значит, усадке материалов. К. я. впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci), Б. Паскалем (В. Pascal) и Дж. Жюреном (J. Jurin) в опытах с капиллярными трубками. Теория К. я. развита в работах П. С. Лапласа (P. S. Laplace), Т. Юнга (Th. Young), И. С. Громеки и Дж. У. Гиббса (J. W. Gibbs). Лит.: Громека И. С., Собр. соч., М., 1952; Адамсон А., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., М., 1979; Современная теория капиллярности, под ред. А. И. Русанова, Ф. Ч. Гудрича, Л., 1980; Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Смачивающие пленки, М., 1984; Роулинсон Д ж., Уидом Б., Молекулярная теория капиллярности, пер. с англ., М., 1986. Н. В. Чураев.
Предметный указатель >>
Источник