За неомокрящи течности ...

Експеримент IIX.13: Издигане в капилярите

В тази глава искаме да обобщим производната концепция за повърхностно напрежение. Досега разглеждахме само повърхностното напрежение на течността срещу въздуха, за да бъдем по-точни спрямо вакуума, сега приемаме, че интерфейсът обикновено е обхванат от две среди, среда 1 срещу среда 2. Такъв интерфейс се състои напр. между две течности, между течност и твърдо вещество или между течност и газ. За да идентифицираме средата, между която съществува интерфейсът, сега маркираме повърхностното напрежение с два индекса s 12. Това повърхностно напрежение сега обозначава напрежението, което действа от повърхност 1 до повърхност 2. Повърхностното напрежение е мярка за енергията, която трябва да бъде изразходвана или натрупана при смяна на интерфейса между среда 1 и среда 2.

Ако повърхностното напрежение е по-голямо от 0, повърхностната молекула в среда 2 се привлича по-силно към собствената си среда, т.е. среда 2, отколкото към среда 1. Както вече беше обсъдено, интерфейсът се опитва да минимизира себе си.

Ако, от друга страна, повърхностното напрежение е отрицателно, повърхностните молекули се привличат по-силно към среда 1, отколкото към среда 2. В този случай интерфейсът се опитва да максимизира себе си.

Ако има интерфейс между две течности, смесването е възможно.

Ще разгледаме това явление само в един пример. За целта разглеждаме как повърхностното напрежение действа върху повърхността на течност срещу газова фаза върху стената на съда

Първата фигура показва интерфейса между течност и газ върху стената на съда, където повърхностното напрежение е положително.

Сега разглеждаме линейния елемент d l на граничната линия между 3-те медии; На тази гранична линия действат 3 сили:

F 13 = s 13 d l и F 12 = s 12 d l лежат в една линия на действие, но са противоположни. Силовият компонент на F 23 = s 23 d l, действащ в тази посока, се изчислява с помощта на косинуса.

При s 12> 0 и трите сили се опитват да намалят свързаната повърхност. В равновесие се отнася за стената на съда

Има четири различни начина, по които повърхностните напрежения са свързани помежду си:

1-ви случай: s 12 s 13. Ъгълът, който течността образува със стената на съда, е j 0. Течността не се омокря. Този случай е показан на фигура IIX.24a. Пример, който вече е използван, е живакът.

2-ри случай: s 12> s 13. Ъгълът, който течността образува със стената на съда, е j> 90 0. Течността се навлажнява. Този случай е показан на фигура IIX.24b. Пример за това е сапунената вода.

3-ти случай: Равновесието е възможно само ако | s 13 - s 12 | S е 23 е.

Четвърти случай: Ако s 13 - s 12> s 23, течността пълзи по стената на съда и го навлажнява напълно. Този имот има напр. Проникващо масло.

Различното навлажняване на повърхности с течности означава, че течностите в тесни съдове приемат различно ниво от течността извън съда. Това свойство се нарича капилярност.

Нека разгледаме това последствие от междуфазното напрежение в мисловен експеримент:

Течност се издига в тясна тръба с радиус r около парчето h. Повърхността образува част от сферична обвивка с радиус R. Този радиус R отговаря само на много малък ъгъл на омокряне j в пределния случай .

От експеримента със сапунения мехур знаем, че намаляването на повърхността създава натиск. Налягането на извитата течна повърхност е

Следното се отнася за ъгъла на падане на течността на стената

Така че това следва за печат

В равновесие гравитацията и повърхностното напрежение са в баланс:

Ако някой обобщи r/cos j до r ', това следва

За пределния случай j = 0 капилярният закон гласи

Следователно височината на издигане е обратно пропорционална на радиуса на тръбата.

s е повърхностното напрежение на течността спрямо въздуха. За течности без омокряне налягането действа в обратна посока: нивото на течността се изтласква надолу. В този случай се говори за „капилярна депресия“

Нека сега разгледаме два експеримента върху закона на капилярите.

В този експеримент пет тръби с различни радиуси са потопени еднакво дълбоко в течност. Поради капилярното действие водата се издига в тръбите. Може да се забележи, че течността се издига по-високо в тръбите с по-малки радиуси. Ако погледнете тръба с диаметър два милиметра и една с диаметър един милиметър, виждате обратната зависимост между височината на издигане и диаметъра на тръбата вярно: в по-тънката вода водата е два пъти по-висока.

В друг експеримент разглеждаме клин от стъкло:

Както се очаква, виждаме нарастваща хипербола във водата; колкото по-малко е разстоянието между плочите, толкова по-високо се издига водата. Живакът, от друга страна, не се омокря, тъй като разстоянието между плочите намалява, височината на покачване също намалява.