Капилля́рные явления — изменение уровня жидкости в очень тонких трубках — капиллярах. Если диаметр капилляра мал, то мениски, образующиеся у его стен, сливаются друг с другом, образуя поверхность, близкую к сферической. Силы поверхностного натяжения действуют по касательной к поверхности жидкости вдоль всей границы ее поверхности. В данном случае граница — это окружность, диаметр которой равен диаметру капилляра. К капиллярным относят явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом или собственным паром.
Капиллярные явления охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием сил межмолекулярного взаимодействия и внешних сил, в первую очередь, силы тяжести. Когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости ограниченный объем жидкости, не соприкасающийся с другими телами, принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объеме и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна. Форму шара жидкость принимает и в этом случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой)
.
Капиллярыне явления открыты и исследованы Леонардо да Винчи (1561), Паскалем в XVII веке, Дж. Жюреном в XVIII веке. Теория капиллярных явлений развита в работах Лапласа (1806), Т. Юнга (1805), Дж. У. Гоббса (1875), И.С. Громеки (1879, 1886).
Сферическая форма капли жидкости при соприкосновении с поверхностью твердого тела не сохраняется. Изменение формы капли зависит от материала, из которого сделано твердое тело. На стекле капля растекается, а на поверхности парафина приобретает форму сплюснутого шара.
Зависимость формы капли от материала подложки объясняется различием сил взаимодействия между молекулами жидкости и сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела на границе раздела двух сред.
Смачивающей называют жидкость, которая растекается тонкой пленкой по твердому телу. Несмачивающей называют жидкость, которая не растекается по твердому телу, а стягивается в каплю.
Мера смачиваемости — это угол \(\theta\)между смачиваемой поверхностью и касательной к поверхности жидкости. Его называют углом смачивания, или краевым углом. Для смачивающей жидкости угол смачивания острый, для несмачивающей жидкости угол смачивания тупой.
При контакте твердых, жидких или газообразных тел на их границе устанавливается равновестие. При этом на каждый элемент границы будет действовать три силы:
\(\vec{F_{жг}}\)- сила между жидкостью и газом,
\(\vec{F_{тж}}\)- сила между твердым телом и жидкостью,
\(\vec{F_{тг}}\)- сила между твердым телом и газом.
Растекание жидкости просходит, если: \(\vec{F_{тг}} \geq \vec{F_{тж}} + \vec{F_{жг}}cos\theta \)
Из условия равновесия следует: \(\vec{F_{тг}} = \vec{F_{тж}} + \vec{F_{жг}}cos\theta \).
Отсюда \(cos\theta = {\vec{F_{тг}} - \vec{F_{тж}} \over \vec{F_{жг}}}\)
Если \(\vec{F_{тж}}\)< \(\vec{F_{тг}}\), то \(cos\theta > 0\), жидкость смачивающая.
Если \(\vec{F_{тж}}\)> \(\vec{F_{тг}}\), то \(cos\theta < 0\), жидкость несмачивающая.
Если \(\vec{F_{тг}}\) -\(\vec{F_{тж}} \)> \(\vec{F_{тж}} \), то равновесие не соблюдается. Значит, жидкость полностью смачивает твердое тело, отделяя его от газа.
Хорошее смачивание необходимо при нанесении красочных покрытий, обработке фотоматериалов, пайке, стирке. Использование веществ с минимальной смачиваемостью требуется для гидроизоляции, например, при изготовлении материала для плащей, курток, зонтов.
Смачивание твердых поверхностей жидкостью характеризуется мениском и углом смачивания. Мениском называют форму поверхности жидкости вблизи стенки сосуда. Мениск зависит от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда.
Действием поверхностного натяжения вызывается избыточное давление под искривленной поверхностью:
\(p = {F \over s} = {\sigma2\pi R\over \pi R^2} = {2\sigma \over R}\)
где \(\sigma\)- поверхностное натяжение.
Если поверхность выпуклая — давление увеличивается, если вогнутая — уменьшается.
Капиллярность — это явление подъема или опускания жидкости в капиллярах. В достаточно широких сосудах короткоживущие силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкости удерживают в виде мениска лишь незначительную часть жидкости в сосуде. основная поверхность — горизонтальная. В узких сосудах (капиллярах) масса жидкости невелика, поэтому различие между силой притяжения между молекулами жидкости и твердого тела и силой притяжения между молекулами жидкости приводит к капиллярности.
Когда капилляр опущен в жидкость, то в случае смачивающей жидкости силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела Fж-т, то есть стенками капилляра, превосходят силы взаимодействия между молекулами жидкости Fж.
Жидкость втягивается внутрь капилляра. Подъем жидкости в капилляре происходит до тех пор, пока результирующая сила Fв действующая на жидкость вверх, не уравновесится силой тяжести mg столба жидкости высотой h:
Fв = mg.
Жидкость, не смачивающая стенки капилляра, опускается в нем на расстояние h.
Высота столба смачивающей жидкости в капилляре:
\(h = {2\sigma \over \rho gR}\)
\(\rho\)- плотность жидкости.
Чем меньше радиус капилляра, тем больше высота подъема жидкости в капилляре. Так, лежащий на мокрой губке сухой кусок мела быстро намокает, в то время как сухая губка, лежащая на мокром куске мела, остается сухой. Этот оффект объясняется тем, что капилляры у мела тоньше, чем у губки.
Многочисленные капиляры, пронизывающие растительные и животные ткани, почву, играют важную роль в водоснабжении и обмене веществ растений и животных.
- Справочник школьника. Ваш домашний репетитор по программе 5-11 класса. Том 2. СПб: ИГ Весь, 2006.
- В.А. Касьянов Физика. 10 класс. М: Дрофа, 2002
- Физический энциклопедический словарь. БСЭ, 1995.