La interfața dintre un lichid și un solid, apar fenomene de umectare sau de neumedare datorită interacțiunii moleculelor lichide cu moleculele corp solid:

Fig.1 Fenomenele de umectare (a) și neumezire (b) suprafeței lichide a unui corp solid (- unghi de contact)

Deoarece fenomenele de umectare și neumezire sunt determinate de proprietățile relative ale substanțelor unui lichid și a unui solid, același lichid poate fi umezit pentru un solid și neumeziv pentru altul. De exemplu, apa udă sticla și nu udă parafina.

Măsura cantitativă a umezării este unghi de contact unghiul format de suprafața unui corp solid și tangenta trasă la suprafața lichidului în punctul de contact (lichidul se află în interiorul unghiului).

La umezire și cu cât unghiul este mai mic, cu atât umezirea este mai puternică. Dacă unghiul de contact zero, se numește umezire completă sau perfectă. Cazul de umezire ideală poate fi atribuit aproximativ împrăștierii alcoolului pe o suprafață curată de sticlă. În acest caz, lichidul se răspândește pe suprafața solidului până acoperă întreaga suprafață.

În cazul neumezirii și cu cât unghiul este mai mare, cu atât neumezirea este mai puternică. La valoarea unghiului de contact se observă neumezirea completă. În acest caz, lichidul nu se lipește de suprafața solidului și se rostogolește ușor de pe acesta. Un fenomen similar poate fi observat atunci când încercăm să spălăm o suprafață grasă. apă rece. Proprietățile detergente ale săpunului și ale pulberilor sintetice se explică prin faptul că soluția de săpun are o tensiune superficială mai mică decât apa. Tensiunea de suprafață mare a apei o împiedică să pătrundă în porii mici și golurile dintre fibrele țesăturii.

Fenomenele de umezire și neumedare joacă un rol important în viața umană. În astfel de procese de producție precum lipirea, vopsirea, lipirea, este foarte important să se asigure umezirea suprafețelor. În timp ce asigurarea neumezirii este foarte importantă la crearea hidroizolației, sinteza materialelor impermeabile. În medicină, fenomenele de umezire sunt importante pentru asigurarea mișcării sângelui prin capilare, respirație și alte procese biologice.

Fenomenele de umezire și neumezire se manifestă clar în tuburi înguste - capilarele.

Fenomene capilare

DEFINIȚIE

Fenomene capilare este creșterea sau scăderea lichidului în capilare în comparație cu nivelul lichidului din tuburile largi.

Lichidul de umectare se ridică prin capilar. Lichidul care nu udă pereții vasului coboară în capilar.

Înălțimea h de ridicare a lichidului prin capilar este determinat de raportul:

unde este coeficientul tensiunii superficiale a lichidului; densitatea lichidului; raza capilară, accelerația de cădere liberă.

Adâncimea la care cade lichidul în capilar se calculează folosind aceeași formulă.

DEFINIȚIE

Suprafața curbată a unui lichid se numește menisc.

Sub meniscul concav al lichidului de umectare, presiunea este mai mică decât sub suprafață plană. Prin urmare, lichidul din capilar se ridică până atunci. până când presiunea hidrostatică a lichidului ridicat în capilar la nivelul unei suprafeţe plane compensează diferenţa de presiune. Sub meniscul convex al unui lichid neumeziv, presiunea este mai mare decât sub o suprafață plană, ceea ce duce la o scădere a lichidului în capilar.

Putem observa fenomene capilare atât în ​​natură, cât și în viața de zi cu zi. De exemplu, solul are o structură liberă și între particulele sale individuale există goluri, care sunt capilare. Când udați prin capilare, apa se ridică la sistemul radicular al plantelor, furnizându-le umiditate. De asemenea, apa din sol, urcând prin capilare. se evaporă. Pentru a reduce eficiența evaporării, reducând astfel pierderea de umiditate, solul este afânat, distrugând capilarele. În viața de zi cu zi, fenomenele capilare sunt utilizate la umezirea unei suprafețe umede cu un prosop de hârtie sau un șervețel.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu	Într-un tub capilar cu o rază de 0,5 mm, lichidul a crescut cu 11 mm. Aflați densitatea unui lichid dat dacă coeficientul său de tensiune superficială este .
Soluţie	de unde densitatea lichidului: Să convertim unitățile în sistemul SI: raza tubului; înălțimea creșterii lichidului; coeficientul tensiunii superficiale a lichidului. Accelerația gravitației . Să calculăm:
Răspuns	Densitatea lichidului

EXEMPLUL 2

Exercițiu	Aflați masa de apă care a crescut printr-un tub capilar cu diametrul de 0,5 mm.
Soluţie	Înălțimea creșterii lichidului prin capilar este determinată de formula: Densitatea lichidului: Volumul coloanei de lichid care s-a ridicat prin capilar este considerat ca volumul unui cilindru cu înălțime și aria bazei: înlocuind raportul pentru volumul coloanei de lichid în formula pentru densitatea lichidului, obținem: Luând în considerare ultimul raport, precum și faptul că raza capilarului , înălțimea creșterii lichidului de-a lungul capilarului: Din ultima relație găsim masa lichidului: Să convertim unitățile în sistemul SI: diametrul tubului. Accelerația gravitației . Coeficientul tensiunii superficiale a apei. Să calculăm:
Răspuns	Masa de apă care a crescut prin tubul capilar kg.

Tensiunea superficială este relativ ușor de determinat experimental. Există diferite metode pentru determinarea tensiunii superficiale, care sunt împărțite în statice, semi-statice și dinamice. Metodele statice se bazează pe fenomene capilare asociate cu curbura interfeței.

Odată cu apariția curburii suprafeței între faze, presiunea internă a corpului se modifică și apare o presiune suplimentară (capilară) Laplace. R, care poate creste sau scade presiunea interna caracteristica unei suprafete plane. Această presiune suplimentară poate fi reprezentată ca rezultanta forțelor de tensiune superficială direcționate către centrul de curbură perpendicular pe suprafață. Curbura poate fi pozitivă sau negativă (Fig. 2.2).

Orez. 2.2. Schema de formare a presiunii suplimentare pentru o suprafață cu pozitiv (a) și negativ (b) curbură

O modificare a volumului unui lichid are loc ca urmare a unei scăderi spontane a energiei de suprafață și a conversiei acesteia în energie mecanică a unei modificări a volumului corpului. În acest caz, în ecuația (2.2) pentru energia Helmholtz la constante T, n, q trebuie luate în considerare doar doi termeni. dF=-pdV+ods. La echilibru dF = 0, deci pdv=ods. În această expresie p = P- presiune suplimentară (presiunea Laplace), egală cu diferența de presiune dintre presiunea unui corp cu suprafețe plane și curbate (AR):

Raportul se numește curbura suprafeței.

Pentru o suprafață sferică. Înlocuind această expresie

în ecuația pentru presiune suplimentară, obținem ecuația Laplace:

în care G- raza de curbură; - curbura sau dispersitatea (Fig. 2.3).

Dacă suprafaţa are formă neregulată, utilizați conceptul de curbură medie și ecuația Laplace are forma

unde Gr / * 2 - razele principale de curbură.

Orez. 2.3. Creșterea capilară a lichidului în timpul umezirii (a) și neumezirii (despre) pereții capilari

Pentru tensiunea superficială, ecuația Laplace poate fi rescrisă sub forma care arată proporționalitatea suprafeței

raza de tensiune a capilarului G si presiune R, la care o bulă de gaz iese dintr-un capilar scufundat într-un lichid. Pe această proporționalitate se bazează metoda de determinare experimentală a tensiunii superficiale a lui Rehbinder.

Metoda Rehbinder măsoară presiunea la care o bula de gaz iese dintr-un capilar care este coborât de un lichid. În momentul în care bula sare, presiunea măsurată va fi egală cu presiunea capilară, cu raza de curbură a suprafeței - cu raza capilarului. În experiment, este aproape imposibil să se măsoare raza capilară, prin urmare, se efectuează măsurători relative: presiunea este determinată într-o bula de gaz care sare printr-un lichid cu o tensiune superficială cunoscută (acest lichid se numește standard), apoi presiunea Rîntr-o bulă de gaz care sare printr-un lichid cu o tensiune superficială determinată. Apa distilată este de obicei folosită ca lichid standard, iar bidistilatul este utilizat pentru măsurători precise.

Raportul dintre tensiunea superficială a unui lichid standard și presiunea dintr-o bula care sare prin el se numește constantă

capilar. Cu o valoare cunoscută a tensiunii superficiale

(t 0 și presiunile măsurate și R pentru lichidul standard și investigat, tensiunea superficială a acestuia din urmă este determinată de formula principală de calcul a acestei metode:

Dacă valoarea este cunoscută cu precizie ridicată, atunci valoarea tensiunii superficiale a lichidului care se determină va fi de asemenea exactă. Metoda Rehbinder oferă o precizie de determinare a tensiunii superficiale de până la 0,01 mJ/m 2 .

Când se utilizează metoda de ridicare, se măsoară înălțimea creșterii (sau scăderii) lichidului în capilar și se compară cc cu înălțimea creșterii unui lichid standard a cărui tensiune superficială este cunoscută (Fig. 2.4).

Orez. 2.4.

Motivul creșterii capilare este că lichidul, umezind pereții capilarului, formează o anumită curbură a suprafeței, iar presiunea Laplace capilară rezultată ridică lichidul din capilar până când greutatea coloanei de lichid se echilibrează. forță care acționează. Creșterea lichidului în capilar se observă atunci când curbura suprafeței lichidului este negativă. Cu un menisc concav, presiunea Laplace tinde să întindă lichidul și să-l ridice, o astfel de creștere capilară se numește pozitivă, este tipică pentru lichidele care udă pereții capilarului (de exemplu, în sistemul de apă-sticlă). În schimb, dacă curbura suprafeței este pozitivă (un menisc convex), atunci presiunea suplimentară tinde să comprime lichidul și se observă scăderea acestuia în capilar, care se numește creștere capilară negativă. Un fenomen similar este tipic pentru cazurile în care pereții capilarului nu sunt umeziți cu lichid (de exemplu, în sistemul sticlă-mercur).

Judecând după Fig. 2.4. umezirea afectează geometria suprafeței și dacă r este raza de curbură, atunci raza capilarului însuși R este legat de acesta prin

Unde în- unghi de contact de umectare (acut, cu condiția ca pereții capilarului să fie umeziți cu lichid). Din ultima relaţie rezultă că

Înlocuind această relație în ecuația (2.4), obținem

Dacă luăm în considerare că presiunea coloanei de lichid din ecuație pdv=ods legat de înălțimea acestuia mgh = V(p-p^)gh, puteți obține raportul și apoi formula Jurin:

Unde h- înălțimea creșterii lichidului în capilar; R este densitatea lichidului; ps este densitatea vaporilor săi saturati; g- accelerarea gravitației.

Cu condiția ca densitatea lichidului Rși densitatea sa de vapori saturati ps incomparabil (R » p s) pentru tensiunea superficială, putem scrie

Într-o formulă mai simplificată, se presupune, de asemenea, că pereții vasului sunt complet umeziți de lichid (cos în = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

În utilizarea practică a metodei, calculul tensiunii superficiale se efectuează conform formulei

unde si h- înălțimea de ridicare a capilarului lichidelor standard și de testare; p^u p- densitatea lor.

Această metodă poate fi utilizată ca o metodă exactă furnizată cos în - const, mai bine în= 0°, ceea ce este acceptabil pentru multe lichide fără condiții suplimentare. În experiment, este necesar să se utilizeze capilare subțiri care sunt bine umezite de lichid. Metoda de creștere capilară poate oferi, de asemenea, o precizie ridicată în determinarea tensiunii superficiale, până la 0,01-0,1 mJ/m

La umezire, apare curbura suprafeței, ceea ce modifică proprietățile stratului de suprafață. Existența excesului energie gratis la o suprafață curbată duce la așa-numitele fenomene capilare - foarte deosebite și importante.

Să facem mai întâi o analiză calitativă pe exemplul unui balon de săpun. Dacă, în procesul de suflare a bulei, deschidem capătul tubului, vom vedea că bula situată la capătul acestuia va scădea în dimensiune și va fi atrasă în tub. Deoarece aerul de la capătul deschis comunica cu atmosfera, pentru a menține starea de echilibru a balonului de săpun, este necesar ca presiunea din interior să fie mai mare decât cea din exterior. Dacă, în același timp, tubul este conectat la un monometru, atunci se înregistrează o anumită diferență de nivel pe acesta - un exces de presiune DP în faza volumetrică a gazului din partea concavă a suprafeței bulei.

Să stabilim o relație cantitativă între DP și raza de curbură a suprafeței 1/r între două faze de masă aflate în echilibru și separate de o suprafață sferică. (de exemplu, o bule de gaz într-un lichid sau o picătură de lichid într-o fază de vapori). Pentru aceasta, folosim expresia termodinamică generală pentru energia liberă în condiția T = const și absența transferului de materie de la o fază la alta dn i = 0. În starea de echilibru sunt posibile variații ale suprafeței ds și volumului dV. . Fie V să crească cu dV și s cu ds. Apoi:

dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.

În starea de echilibru dF = 0. Ținând cont de faptul că dV 1 = dV 2 , aflăm:

P 1 - P 2 \u003d s ds / dV.

Astfel P 1 > P 2 . Având în vedere că V 1 = 4/3 p r 3 , unde r este raza de curbură, obținem:

Înlocuirea dă ecuația lui Laplace:

P 1 - P 2 \u003d 2s / r. (unu)

Mai general, pentru un elipsoid de revoluție cu raze principale de curbură r 1 și r 2 , legea lui Laplace este formulată:

P 1 - P 2 \u003d s / (1 / R 1 - 1 / R 2).

Pentru r 1 = r 2 se obține (1), pentru r 1 = r 2 = ¥ (plan) P 1 = P 2 .

Diferența DP se numește presiune capilară. Considera sens fizicşi consecinţele legii lui Laplace, care stă la baza teoriilor fenomenelor capilare.Ecuaţia arată că diferenţa de presiune în fazele în vrac creşte cu creşterea s şi cu descreşterea razei de curbură. Astfel, cu cât dispersia este mai mare, cu atât presiunea internă a unui lichid cu suprafață sferică este mai mare. De exemplu, pentru o picătură de apă în faza de vapori la r = 10 -5 cm, DP = 2. 73 . 10 5 dine / cm 2 "15 at. Astfel, presiunea din interiorul picăturii, în comparație cu vaporii, este cu 15 atm mai mare decât în ​​faza de vapori. Trebuie amintit că indiferent de starea de agregare faze, în stare de echilibru, presiunea pe latura concavă a suprafeței este întotdeauna mai mare decât pe latura convexă.Ecuația oferă baza pentru măsurarea experimentală a lui s prin metoda celei mai mari presiuni cu bule. Una dintre cele mai importante consecințe ale existenței presiunii capilare este creșterea lichidului în capilar.

Fenomenele capilare se observă în fluide care conțin

În vase înguste, în care distanța dintre pereți este proporțională cu raza de curbură a suprafeței lichide. Curbura apare ca urmare a interacțiunii fluidului cu pereții vasului. Specificul comportamentului unui lichid în vasele capilare depinde dacă lichidul udă sau nu pereții vasului, mai exact, de valoarea unghiului de contact de umectare.

Să luăm în considerare poziția nivelurilor de lichid în două capilare, dintre care unul are o suprafață liofilă și, prin urmare, pereții săi sunt umezi, în timp ce celălalt are o suprafață liofilizată și nu este umezită. În primul capilar, suprafața are o curbură negativă. Presiunea suplimentară Laplace tinde să întindă lichidul. (presiunea este îndreptată spre centrul de curbură). Presiunea de sub suprafață este mai mică decât presiunea de la suprafața plană. Ca urmare, apare o forță de plutire care ridică lichidul în capilar până când greutatea coloanei echilibrează forța care acționează.În al doilea capilar, curbura suprafeței este pozitivă, presiune suplimentară este direcționată în lichid, ca urmare, cade lichid în capilare.

La echilibru, presiunea Laplace este egală cu presiunea hidrostatică a unei coloane de lichid de înălțimea h:

DP \u003d ± 2s / r \u003d (r - r o) gh, unde r, r o sunt densitățile fazei lichide și gazoase, g este accelerația gravitației, r este raza meniscului.

Pentru a raporta înălțimea ridicării capilare de caracteristica de umectare, exprimăm raza meniscului în termeni de unghiul de umectare Q și raza capilarului r 0. Este clar că r 0 = r cosQ, înălțimea creșterea capilară este exprimată ca (formula lui Jurin):

h \u003d 2scosQ / r 0 (r - r 0)g

În absenţa umezării Q>90 0 , сosQ< 0, уровень жидкости опускается на величину h. При полном смачивании Q = 0, сosQ = 1, в этом случае радиус мениска равен радиусу капилляра. Измерение высоты капиллярного поднятия лежит в основе одного из наиболее точных методов определения поверхностного натяжения жидкостей.

O serie de fenomene și procese binecunoscute sunt explicate prin creșterea capilară a lichidelor: impregnarea hârtiei și a țesăturilor se datorează creșterii capilare a lichidului în pori. Rezistența la apă a țesăturilor este asigurată de hidrofobicitatea lor - o consecință a creșterii capilare negative. Ridicarea apei din sol are loc datorita structurii solului si asigura existenta acoperirii vegetale a Pamantului, ridicarea apei din sol de-a lungul trunchiurilor plantelor are loc datorita structurii fibroase a lemnului, procesului de circulație a sângelui în vasele de sânge, creșterea umidității în pereții clădirii (izolarea așezării), etc.

Reactivitate termodinamică (t.r.s.).

Caracterizează capacitatea unei substanțe de a intra într-o altă stare, de exemplu, într-o altă fază, de a intra într-o reacție chimică. Indică distanța sistemului dat de starea de echilibru în condiții date. T.r.s. este determinată de afinitatea chimică, care poate fi exprimată ca o modificare a energiei Gibbs sau o diferență a potențialelor chimice.

R.s depinde de gradul de dispersie al substanței. O modificare a gradului de dispersie poate duce la o schimbare a fazei sau echilibru chimic.

Creșterea corespunzătoare a energiei Gibbs dG d (datorită unei modificări a dispersiei) poate fi reprezentată ca o ecuație combinată a primei și a doua legi ale termodinamicii: dG d = -S dT + V dp

Pentru o substanță individuală V = V mol și la T = const avem: dG d = V mol dp sau DG d = V mol Dp

Înlocuind relația Laplace în această ecuație, obținem dG d = s V mol ds/dV

pentru curbura sferică: dG d \u003d ± 2 s V mol / r (3)

Ecuațiile arată că incrementul reactivitate, din cauza unei modificări a dispersiei, este proporțională cu curbura suprafeței, sau dispersie.

Dacă luăm în considerare trecerea unei substanțe de la o fază condensată la una gazoasă, atunci energia Gibbs poate fi exprimată în termeni de presiune a vaporilor, luând-o ca ideală. Atunci modificarea suplimentară a energiei Gibbs asociată cu modificarea dispersiei este:

dG d \u003d RT ln (p d / p s) (4), unde p d și p s sunt presiunea vaporilor saturați pe suprafețe curbe și uniforme.

Înlocuind (4) în (3) obținem: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r

Raportul se numește ecuația Kelvin-Thomson. Din această ecuație rezultă că, cu o curbură pozitivă, presiunea vaporilor saturati pe o suprafață curbată va fi cu atât mai mare, cu atât curbura este mai mare, adică. raza picăturii mai mică. De exemplu, pentru o picătură de apă cu raza de r = 10 -5 cm (s=73, V mol =18) p d / p s = 0,01, adică 1%. Această consecință a legii Kelvin-Thomson face posibilă prezicerea fenomenului de distilare izotremică, care constă în evaporarea celor mai mici picături și condensarea vaporilor pe picături mai mari și pe o suprafață plană.

Cu curbura negativă care apare în capilare în timpul umezirii, se obține o relație inversă: presiunea vaporilor saturați peste suprafața curbată (de deasupra picăturii) scade odată cu creșterea curburii (cu scăderea razei capilare). Astfel, dacă lichidul udă capilarul, atunci condensarea vaporilor în capilar are loc la o presiune mai mică decât pe o suprafață plană. Acesta este motivul pentru care ecuațiile Kelvin sunt adesea denumite ecuația de condensare capilară.

Să luăm în considerare influența dispersiei particulelor asupra solubilității lor. Ținând cont de faptul că modificarea energiei Gibbs este exprimată prin solubilitatea unei substanțe într-o stare dispersată diferită, similar relației (4), obținem pentru neelectroliți:

ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r unde c d și c a sunt solubilitatea unei substanțe în stare fin dispersată și solubilitatea în echilibru cu particule mari ale acestei substanțe

Pentru un electrolit care se disociază în soluție în n ioni, putem scrie (neglijând coeficienții de activitate):

ln (a d / a s) \u003d n ln (c d / c s) \u003d ±2 s V mol / RT r, unde a d și a s sunt activitățile electrolitului în soluții saturate în raport cu în y foarte dispersat și grosier dispersat stat. Ecuațiile arată că odată cu creșterea dispersiei, solubilitatea crește sau potențialul chimic al particulelor sistem dispersat mai mult decât cel al unei particule mari, cu 2 s V mol/r. În același timp, solubilitatea depinde de semnul curburii suprafeței, ceea ce înseamnă că dacă particulele unui solid au o formă neregulată cu pozitiv și curbură negativăși sunt într-o soluție saturată, atunci zonele cu curbură pozitivă se vor dizolva, iar cele cu curbură negativă vor crește. Ca rezultat, particulele substanței dizolvate capătă în cele din urmă o formă bine definită corespunzătoare stării de echilibru.

Gradul de dispersie poate afecta, de asemenea, echilibrul reactie chimica: - DG 0 d \u003d RT ln (K d / K), unde DG 0 d este creșterea afinității chimice datorită dispersiei, K d și K sunt constantele de echilibru ale reacțiilor care implică substanțe dispersate și nedispersate.

Odată cu creșterea dispersiei, activitatea componentelor crește și, în conformitate cu aceasta, constanta de echilibru chimic se modifică într-o direcție sau alta, în funcție de gradul de dispersie a substanțelor inițiale și a produselor de reacție. De exemplu, pentru reacția de descompunere a carbonatului de calciu: CaCO 3 " CaO + CO 2

o creștere a dispersității carbonatului de calciu inițial deplasează echilibrul spre dreapta, iar presiunea dioxidului de carbon asupra sistemului crește. Creșterea dispersiei oxidului de calciu duce la rezultatul opus.

Din același motiv, odată cu creșterea dispersiei, legătura apei de cristalizare cu substanța este slăbită. Deci macrocristal de Al 2 O 3. 3 H 2 O cedează apă la 473 K, în timp ce într-un precipitat de particule de mărime coloidală, hidratul cristalin se descompune la 373 K. Aurul nu interacționează cu acidul clorhidric, iar aurul coloidal se dizolvă în el. Sulful grosier nu interacționează semnificativ cu sărurile de argint, iar sulful coloidal formează sulfură de argint.

Dacă vă place să beți cocktailuri sau alte băuturi dintr-un pai, probabil ați observat că atunci când unul dintre capete este coborât într-un lichid, nivelul băuturii din acesta este puțin mai mare decât într-o ceașcă sau un pahar. De ce se întâmplă asta? De obicei oamenii nu se gândesc la asta. Dar fizicienii au putut de mult să studieze bine astfel de fenomene și chiar le-au dat propriul nume - fenomene capilare. A venit rândul nostru să aflăm de ce se întâmplă acest lucru și cum se explică acest fenomen.

De ce apar capilarele

În natură, tot ceea ce se întâmplă are o explicație rezonabilă. Dacă lichidul se umezește (de exemplu, apă într-un tub de plastic), se va ridica în tub, iar dacă nu se umezește (de exemplu, mercur într-un flacon de sticlă), atunci va cădea. Mai mult, cu cât raza unui astfel de capilar este mai mică, cu atât lichidul va crește sau va coborî mai mult. Ce explică astfel de fenomene capilare? Fizica spune că ele apar ca urmare a acțiunii forțelor Dacă te uiți cu atenție la stratul de suprafață al lichidului din capilar, vei observa că în forma sa este un fel de cerc. De-a lungul marginii sale pe pereții tubului exercită așa-numita tensiune superficială. Mai mult, pentru un lichid de umectare, vectorul său de direcție este îndreptat în jos, iar pentru un lichid care nu se umezește, este îndreptat în sus.

Potrivit celui de-al treilea, inevitabil provoacă o presiune opusă egală cu ea în modul. Acesta este cel care face ca lichidul să se ridice sau să cadă într-un tub îngust. Aceasta explică tot felul de fenomene capilare. Cu toate acestea, cu siguranță, mulți au avut deja o întrebare logică: „Și când se va opri creșterea sau scăderea lichidului?” Acest lucru se va întâmpla atunci când forța gravitației, sau forța lui Arhimede, echilibrează forța care face ca lichidul să se miște de-a lungul tubului.

Cum pot fi utilizate fenomenele capilare?

Una dintre aplicațiile acestui fenomen, care s-a răspândit în producția de articole de papetărie, este familiară pentru aproape fiecare elev sau elev. Probabil ai ghicit deja despre ce vorbim

Dispozitivul său vă permite să scrieți în aproape orice poziție, iar un semn subțire și clar pe hârtie a făcut mult timp acest subiect foarte popular în rândul fraternității scriitorilor. de asemenea utilizat pe scară largă în agricultură pentru a regla mișcarea și a reține umiditatea în sol. După cum știți, pământul în care sunt cultivate culturi are o structură liberă, în care există decalaje înguste între particulele sale individuale. De fapt, nu este altceva decât capilare. Prin ele, apa intră în sistemul radicular și oferă plantelor umiditatea necesară și sărurile utile. Cu toate acestea, apa din sol se ridică de-a lungul acestor căi și se evaporă destul de repede. Pentru a preveni acest proces, capilarele trebuie distruse. Doar pentru aceasta, se face afânarea solului. Și uneori apare situația inversă atunci când este necesară creșterea mișcării apei prin capilare. În acest caz, solul este rulat în jos și, din această cauză, numărul canalelor înguste crește. În viața de zi cu zi, fenomenele capilare sunt utilizate într-o varietate de circumstanțe. Utilizarea hârtiei absorbante, a prosoapelor și a șervețelelor, utilizarea fitilelor în și în tehnologie - toate acestea sunt posibile datorită prezenței canalelor lungi și înguste în compoziția lor.

Atenţie! Site-ul de administrare a site-ului nu este responsabil pentru conținut evoluții metodologice, precum și pentru conformitatea cu dezvoltarea standardului educațional de stat federal.

• Participant: Nikolaev Vladimir Sergeevich
• Șef: Suleimanova Alfiya Saifullovna

Ţintă muncă de cercetare: să fundamenteze din punct de vedere al fizicii cauza deplasării lichidului prin capilare, să identifice trăsăturile fenomenelor capilare.

Introducere

În epoca noastră tehnologie avansataȘtiințele naturii joacă un rol din ce în ce mai important în viața oamenilor. Oamenii secolului 21 produc computere super-eficiente, smartphone-uri și studiază lumea din jurul nostru din ce în ce mai profund. Cred că oamenii se pregătesc pentru o nouă revoluție științifică și tehnologică care ne va schimba viitorul într-un mod fundamental. Dar nimeni nu știe când vor avea loc aceste schimbări. Fiecare persoană cu munca lui poate aduce această zi mai aproape.

Această lucrare de cercetare este mica mea contribuție la dezvoltarea fizicii.

Această lucrare de cercetare este dedicată temei de actualitate „Fenomene capilare”. În viață, avem de-a face adesea cu corpuri străpunse de multe canale mici (hârtie, fire, piele, diverse materiale de construcție, pământ, lemn). Venind în contact cu apa sau alte lichide, astfel de corpuri le absorb foarte des. Acest proiect arată importanța capilarelor în viața organismelor vii și nevii.

Scopul lucrării de cercetare: fundamentarea din punct de vedere al fizicii a cauzei deplasării lichidului prin capilare, identificarea trăsăturilor fenomenelor capilare.

Obiect de studiu: proprietatea lichidelor, de a fi absorbite, de urcare sau de coborâre prin capilare.

Subiect de cercetare: fenomene capilare în natura animată și neînsuflețită.

1. Pentru a studia materiale teoretice despre proprietățile unui lichid.
2. Familiarizați-vă cu materialul despre fenomenele capilare.
3. Efectuați o serie de experimente pentru a determina cauza creșterii lichidului în capilare.
4. Rezumați materialul studiat în timpul lucrării și formulați o concluzie.

Înainte de a trece la studiul fenomenelor capilare, este necesar să se familiarizeze cu proprietățile lichidului, care joacă un rol semnificativ în fenomenele capilare.

Tensiune de suprafata

Termenul de „tensiune superficială” în sine implică faptul că substanța de la suprafață este într-o stare „strânsă”, adică o stare de tensiune, care se explică prin acțiunea unei forțe numite presiune internă. Acesta trage molecule în lichid într-o direcție perpendiculară pe suprafața sa. Astfel, moleculele situate în straturile interioare ale unei substanțe experimentează, în medie, aceeași atracție în toate direcțiile față de moleculele din jur; moleculele stratului superficial sunt supuse unei atracţii inegale din partea straturilor interioare de substanţe şi din partea care mărgineşte stratul superficial al mediului. De exemplu, la interfața lichid-aer, moleculele lichide situate în stratul de suprafață sunt mai puternic atrase de moleculele vecine ale straturilor interioare ale lichidului decât de moleculele de aer. Acesta este motivul pentru diferența dintre proprietățile stratului de suprafață al lichidului față de proprietățile volumelor sale interne.

Presiunea internă face ca moleculele situate pe suprafața lichidului să fie atrase în interior și, prin urmare, tinde să reducă suprafața la minimum în condiții date. Forța care acționează pe unitatea de lungime a interfeței, care provoacă contracția suprafeței lichidului, se numește forță de tensiune superficială sau pur și simplu tensiune superficială σ.

Tensiunea superficială a diferitelor lichide nu este aceeași, depinde de volumul lor molar, de polaritatea moleculelor, de capacitatea moleculelor de a forma legături de hidrogen între ele etc.

Pe măsură ce temperatura crește, tensiunea superficială scade liniar. Tensiunea superficială a unui lichid este influențată și de impuritățile prezente în acesta. Substanțele care reduc tensiunea superficială se numesc agenți activi de suprafață (surfactanți). În legătură cu apa, agenții tensioactivi sunt produse petroliere, alcooli, eter, săpun și alte lichide și solide. Unele substanțe cresc tensiunea superficială. Impuritățile de săruri și zahăr, de exemplu.

Acest lucru este explicat de MKT. Dacă forțele de atracție dintre moleculele lichidului în sine sunt mai mari decât forțele de atracție dintre moleculele agentului tensioactiv și lichidului, atunci moleculele lichidului merg spre interior din stratul de suprafață, iar moleculele agentului tensioactiv sunt forțate să iasă la suprafață. . Este evident că moleculele de sare și zahăr vor fi atrase în lichid, iar moleculele de apă vor fi împinse la suprafață. Astfel, tensiunea superficială, conceptul de bază al fizicii și chimiei fenomenelor de suprafață, este una dintre cele mai importante caracteristici și din punct de vedere practic. Trebuie remarcat faptul că orice gravă Cercetare științificăîn domeniul fizicii sistemelor eterogene necesită măsurarea tensiunii superficiale. Istoria metodelor experimentale de determinare a tensiunii superficiale, numărând mai mult de două secole, a trecut de la metode simple și brute la metode de precizie care permit găsirea tensiunii superficiale cu o precizie de sutimi de procent. Interesul pentru această problemă a crescut mai ales în ultimele decenii în legătură cu plimbarea spațială a omului, dezvoltarea structurii industriale, unde forțele capilare din diferite dispozitive joacă adesea un rol decisiv.

O astfel de metodă pentru determinarea tensiunii superficiale se bazează pe ridicarea unui lichid de umectare între două plăci de sticlă. Acestea ar trebui să fie coborâte într-un vas cu apă și treptat reunite paralele între ele. Apa va începe să se ridice între plăci - va fi atrasă de forța de tensiune superficială, care a fost menționată mai sus. Este ușor de calculat coeficientul tensiunii superficiale σ după înălțimea creșterii apei y și decalajul dintre plăci. d.

Forța de tensiune superficială F= 2σ L, Unde L- lungimea farfurii (deuce-ul a aparut datorita faptului ca apa este in contact cu ambele farfurii). Această forță menține stratul de masă de apă m = ρ Ldu, unde ρ este densitatea apei. Astfel, 2σ L = ρ Ldug. De aici putem găsi coeficientul de tensiune superficială σ = 1/2(ρ gdu). (1) Dar este mai interesant să faceți acest lucru: strângeți farfuriile împreună la un capăt și lăsați un mic spațiu la celălalt.

Apa se va ridica și se va forma între plăci uimitor suprafata corecta. Secțiunea acestei suprafețe după un plan vertical este o hiperbolă. Pentru a demonstra acest lucru, este suficient să înlocuiți o nouă expresie pentru decalajul într-un loc dat în formula (1) în loc de d. Din asemănarea triunghiurilor corespunzătoare (vezi Fig. 2) d = D (X/L). Aici D- clearance la final L este lungimea plăcii și X- distanta de la locul de contact al placilor pana la locul unde se determina golul si inaltimea nivelului. Astfel, σ = 1/2(ρ gu)D(X/L), sau la= 2σ L/ρ gD(1/ X). (2) Ecuația (2) este într-adevăr o ecuație hiperbolică.

Udare și neumedare

Pentru un studiu detaliat al fenomenelor capilare, trebuie luate în considerare și unele fenomene moleculare care se găsesc la limita trifazată a coexistenței fazelor solide, lichide, gazoase, în special, se ia în considerare contactul unui lichid cu un corp solid. Dacă forțele de aderență dintre moleculele unui lichid sunt mai mari decât cele dintre moleculele unui corp solid, atunci lichidul tinde să reducă limita (aria) contactului său cu corpul solid, retrăgându-se de acesta dacă este posibil. O picătură dintr-un astfel de lichid pe o suprafață orizontală a unui solid va lua forma unei bile aplatizate. În acest caz, lichidul se numește neumezire a solidului. Unghiul θ format de suprafața unui corp solid și tangenta la suprafața lichidului se numește unghi de margine. Pentru neumezire θ > 90°. În acest caz, o suprafață solidă care nu este umezită de un lichid este numită hidrofobă sau oleofilă. Dacă forțele de coeziune dintre moleculele lichidului sunt mai mici decât cele dintre moleculele lichidului și solidului, atunci lichidul tinde să mărească limita de contact cu solidul. În acest caz, lichidul se numește umezirea solidului; unghiul de contact θ< 90°. Поверхность же будет носить название гидрофильная. Случай, когда θ = 180°, называется полным несмачиванием. Однако это практически никогда не наблюдается, так как между молекулами жидкости и твёрдого тела всегда действуют силы притяжения. При θ = 0° наблюдается полное смачивание: жидкость растекается по всей поверхности твёрдого тела. Полное смачивание или полное несмачиваение являются крайними случаями. Между ними в зависимости от соотношения молекулярных сил промежуточное положение занимают переходные случаи неполного смачивания.

Udabilitatea și non-umebilitatea sunt concepte relative: un lichid care umezește un solid poate să nu ude pe altul. De exemplu, apa uda sticla, dar nu uda parafina; Mercurul nu umezește sticla, ci umezește cuprul.

Udarea este de obicei interpretată ca rezultat al acțiunii forțelor de tensiune superficială. Fie ca tensiunea superficială la limita aer-lichid să fie σ 1,2, la limita lichid-solid σ 1,3 și la limita aer-solid σ 2,3.

Trei forțe acționează pe unitatea de lungime a perimetrului de umectare, numeric egale cu σ 1.2, σ 2.3, σ 1.3, direcționate tangențial la interfețele corespunzătoare. În cazul echilibrului, toate forțele trebuie să se echilibreze între ele. Forțele σ 2.3 și σ 1.3 acționează în planul suprafeței unui corp solid, forța σ 1.2 este îndreptată spre suprafață sub un unghi θ.

Condiția de echilibru pentru suprafețele interfațale are următoarea formă:

Valoarea lui cosθ se numește de obicei umezire și se notează cu litera B.

Starea suprafeței are un anumit efect asupra umezirii. Udabilitatea se modifică dramatic deja în prezența unui strat monomolecular de hidrocarburi. Acestea din urmă sunt întotdeauna prezente în atmosferă în cantități suficiente. Microrelieful de suprafață are și un anumit efect asupra umezirii. Cu toate acestea, până în prezent, o singură regularitate a influenței rugozității oricărei suprafețe asupra umezirii acesteia de către orice lichid nu a fost încă dezvăluită. De exemplu, ecuația Wenzel-Deryagin cosθ = X cosθ0 conectează unghiurile de contact ale lichidului pe suprafețele aspre (θ) și netede (θ 0) cu raportul x dintre aria suprafeței adevărate a corpului brut și proiecția acestuia în plan. Cu toate acestea, în practică, această ecuație nu este întotdeauna respectată. Astfel, conform acestei ecuații, în cazul umezirii (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 - la creșterea acestuia (adică la o hidrofobicitate mai mare). Pornind de la aceasta, de regulă, se oferă informații despre efectul rugozității asupra umezirii.

Potrivit multor autori, rata de împrăștiere a unui lichid pe o suprafață rugoasă este mai mică datorită faptului că în timpul împrăștierii, lichidul experimentează un efect de întârziere al denivelărilor (crestele) de rugozitate întâlnite. Trebuie remarcat faptul că este rata de modificare a diametrului unei pete formată dintr-o picătură de lichid strict dozată depusă pe o suprafață curată a unui material care este utilizată ca principală caracteristică de umectare în capilare. Valoarea acestuia depinde atât de fenomenele de suprafață, cât și de vâscozitatea lichidului, densitatea și volatilitatea acestuia.

Evident, un lichid mai vâscos, cu alte proprietăți identice, se întinde pe suprafață mai mult timp și, prin urmare, curge mai lent prin canalul capilar.

Fenomene capilare

Fenomene capilare, ansamblu de fenomene cauzate de tensiunea superficială la interfața mediilor nemiscibile (în sisteme lichid-lichid, lichid-gaz sau vapori) în prezența curburii suprafeței. Un caz special al fenomenelor de suprafață.

După ce am studiat în detaliu forțele care stau la baza fenomenelor capilare, merită să mergeți direct la capilare. Deci, empiric, se poate observa că un lichid de umectare (de exemplu, apă într-un tub de sticlă) se ridică prin capilar. În acest caz, cu cât raza capilară este mai mică, cu atât lichidul se ridică mai mult în ea. Un lichid care nu udă pereții capilari (de exemplu, mercur cu un tub de sticlă) cade sub nivelul lichidului într-un vas larg. Deci, de ce lichidul umezitor se ridică prin capilar, în timp ce lichidul care nu uda coboară?

Nu este greu de observat că suprafața lichidului este oarecum curbată direct la pereții vasului. Dacă moleculele lichide în contact cu peretele vasului interacționează cu moleculele corpului solid mai puternic decât unele cu altele, în acest caz lichidul tinde să mărească aria de contact cu corpul solid (lichid de umectare). În acest caz, suprafața lichidului se îndoaie și se spune că umezește pereții vasului în care se află. Dacă moleculele lichidului interacționează între ele mai puternic decât cu moleculele pereților vasului, atunci lichidul tinde să reducă zona de contact cu corpul solid, suprafața sa se curbează în sus. În acest caz, se vorbește despre neumezirea pereților vasului de către lichid.

În tuburile înguste, al căror diametru este de fracțiuni de milimetru, marginile curbate ale lichidului acoperă întregul strat de suprafață, iar întreaga suprafață a lichidului din astfel de tuburi are o formă asemănătoare unei emisfere. Acesta este așa-numitul menisc. Poate fi concavă, ceea ce se observă în cazul umezirii, și convexă atunci când nu este umezită. Raza de curbură a suprafeței lichidului este de același ordin cu raza tubului. Fenomenele de umezire și neumedare în acest caz se caracterizează și prin unghiul de contact θ dintre suprafața umedă a tubului capilar și menisc în punctele de contact ale acestora.

Sub un menisc concav al lichidului de umectare, presiunea este mai mică decât sub o suprafață plană. Prin urmare, lichidul dintr-un tub îngust (capilar) se ridică până când presiunea hidrostatică a lichidului ridicat în capilar la nivelul unei suprafețe plane compensează diferența de presiune. Sub un menisc convex al unui lichid neumeziv, presiunea este mai mare decât sub o suprafață plană, ceea ce duce la scufundarea lichidului neumeziv.

Prezența forțelor de tensiune superficială și curbura suprafeței lichidului într-un tub capilar este responsabilă pentru presiunea suplimentară sub suprafața curbată, numită presiune Laplace: ∆ p= ± 2σ / R.

Semnul presiunii capilare ("plus" sau "minus") depinde de semnul curburii. Centrul de curbură al unei suprafețe convexe se află în faza corespunzătoare. Suprafețele convexe au curbură pozitivă, suprafețele concave au curbură negativă.

Astfel, starea de echilibru pentru un lichid într-un tub capilar este determinată de egalitate

p 0 = p 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)

unde ρ este densitatea lichidului, h este înălțimea ridicării sale în tub, p 0 - presiunea atmosferică.

Din această expresie rezultă că h= 2σ /ρ gR. (2)

Transformăm formula rezultată exprimând raza de curbură R menisc prin raza tubului capilar r.

Din fig. 6.18 rezultă că r = R cosθ . Înlocuind (1) în (2), obținem: h= 2σ cosθ /ρ gr.

Formula rezultată, care determină înălțimea creșterii unui lichid într-un tub capilar, se numește formula Jurin. Evident, cu cât raza tubului este mai mică, cu atât lichidul crește în el. În plus, înălțimea de ridicare crește odată cu creșterea coeficientului de tensiune superficială a lichidului.

Creșterea lichidului de umectare prin capilar poate fi explicată în alt mod. După cum sa menționat mai devreme, sub acțiunea forțelor de tensiune superficială, suprafața lichidului tinde să se micșoreze. Ca urmare, suprafața meniscului concav tinde să se îndrepte și să devină plată. În același timp, trage particulele de lichid care se află sub el, iar lichidul se ridică în capilar. Dar suprafața unui lichid dintr-un tub îngust nu poate rămâne plată; trebuie să aibă forma unui menisc concav. De îndată ce suprafața dată ia forma unui menisc în noua poziție, va tinde din nou să se contracte și așa mai departe. Ca urmare a acestor motive, lichidul de umectare se ridică prin capilar. Ridicarea se va opri atunci când forța gravitațională Fgravity a coloanei de lichid ridicate, care trage suprafața în jos, echilibrează forța rezultantă F a forțelor de tensiune superficială direcționate tangențial către fiecare punct de pe suprafață.

De-a lungul circumferinței de contact a suprafeței lichidului cu peretele capilar, o forță de tensiune superficială acționează egală cu produsul dintre coeficientul de tensiune superficială și circumferința: 2σπ r, Unde r este raza capilară.

Forța gravitației care acționează asupra fluidului ridicat este

F fir = mg = ρ Vg = ρπ r^2hg

unde ρ este densitatea lichidului; h este înălțimea coloanei de lichid în capilar; g- dispunerea gravitatiei.

Creșterea lichidului se oprește când F fir = F sau ρπ r^2hg= 2σπ r. De aici înălțimea creșterii lichidului în capilar h= 2σ /ρ gR.

În cazul unui lichid neumeziv, acesta din urmă, căutând să-și reducă suprafața, se va scufunda în jos, împingând lichidul în afara capilarului.

Formula derivată este de asemenea aplicabilă unui lichid neumeziv. În acest caz h este înălțimea lichidului din capilar.

Fenomene capilare în natură

Fenomenele capilare sunt, de asemenea, foarte frecvente în natură și sunt adesea folosite în activitățile umane practice. Lemnul, hartia, pielea, caramida si multe alte obiecte din jurul nostru au capilare. Prin capilare, apa urca de-a lungul tulpinilor plantelor si este absorbita in prosop atunci cand ne uscam cu el. Ridicarea apei prin cele mai mici găuri ale unei bucăți de zahăr, luarea de sânge de la un deget sunt, de asemenea, exemple de fenomene capilare.

Sistemul circulator uman, începând cu vase foarte groase, se termină cu o rețea foarte extinsă a celor mai subțiri capilare. Poate fi de interes, de exemplu, astfel de date. Aria secțiunii transversale a aortei este de 8 cm2. Diametrul unui capilar sanguin poate fi de 50 de ori mai mic decât diametrul păr de om cu lungimea de 0,5 mm. Există aproximativ 160 de miliarde de capilare în corpul uman adult. Lungimea lor totală ajunge la 80 de mii de km.

Prin numeroasele capilare prezente în sol, apa din straturile profunde se ridică la suprafață și se evaporă intens. Pentru a încetini procesul de pierdere a umidității, capilarele sunt distruse prin slăbirea solului cu ajutorul grapelor, cultivatoarelor, rippers.

Partea practică

Luați un tub de sticlă cu un diametru interior foarte mic ( d < l мм), так называемый капилляр. Опустим один из концов капилляра в сосуд с водой -вода поднимется выше уровня воды в сосуде. Поверхностное натяжение способно поднимать жидкость на сравнительно большую высоту.

Creșterea unui lichid datorită acțiunii forțelor tensiunii superficiale a apei poate fi observată într-un experiment simplu. Luați o cârpă curată și înmuiați un capăt într-un pahar cu apă și agățați-l pe celălalt peste marginea paharului. Apa va începe să se ridice prin porii țesăturii, similar tuburilor capilare, și va înmuia întreaga cârpă. Excesul de apă va picura din capătul agățat (vezi fotografia 2).

Dacă luați o țesătură de culoare deschisă pentru experiment, atunci fotografia arată foarte slab modul în care apa se răspândește prin țesătură. De asemenea, rețineți că nu toate țesăturile vor avea exces de apă care picură din capătul agățat. Am făcut acest experiment de două ori. Prima dată am folosit o țesătură ușoară (jerson de bumbac); apa a picurat foarte bine din capătul agățat. A doua oară au folosit o țesătură închisă la culoare (tricotaje din fibre mixte - bumbac și sintetice); se vedea clar cum se răspândește apa peste țesătură, dar picăturile de la capătul agățat nu picurau.

Creșterea lichidului prin capilare are loc atunci când forțele de atracție ale moleculelor de lichid între ele sunt mai mici decât forțele de atracție ale acestora față de moleculele solidului. În acest caz, se spune că lichidul udă solidul.

Dacă luați un tub nu foarte subțire, umpleți-l cu apă și închideți capătul inferior al tubului cu degetul, puteți vedea că nivelul apei din tub este concav (Fig. 9).

Acesta este rezultatul faptului că moleculele de apă sunt mai puternic atrase de moleculele pereților vasului decât unele de altele.

Nu toate lichidele și nici în tuburi „se agăță” de pereți. De asemenea, se întâmplă ca lichidul din capilar să scadă sub nivelul unui vas larg, în timp ce suprafața sa este convexă. Se spune că un astfel de lichid nu umezește suprafața unui solid. Atractia moleculelor lichide unele fata de altele este mai puternica decat fata de moleculele peretilor vasului. Așa se comportă, de exemplu, mercurul într-un capilar de sticlă. (Fig.10)

Concluzie

Deci, în cursul acestei lucrări, m-am asigurat că:

1. Fenomenele capilare joacă un rol important în natură.
2. Creșterea lichidului din capilar continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar devine egală în valoare absolută cu forța rezultată.
3. Lichidul de umectare din capilare se ridică, iar lichidul care nu se umezește cade.
4. Înălțimea creșterii lichidului în capilar este direct proporțională cu tensiunea superficială a acestuia și invers proporțională cu raza canalului capilar și cu densitatea lichidului.