Явления на границе жидкости с твердым телом. Капиллярные явления

Явления на границе жидкости с твердым телом. Капиллярные явления

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество. Например, вода смачивает чистое стекло и не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют несмачивающей это вещество

Расположим горизонтально плоскую пластинку из какого-либо твердого вещества и капнем на нее исследуемую жидкость. Тогда капля расположится либо так, как показано на рис. а, либо так, как показано на рис. б. В первом случае жидкость смачивает твердое вещество, а во втором — нет. Отмеченный на рис. угол θ называют краевым углом

Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для несмачивающих – тупой

Искривление поверхности жидкости у краев сосуда легко обнаружить на опыте. Особенно отчетливо это видно в узких трубках, где искривляется вся свободная поверхность жидкости.

В трубке с круглым сечением эта поверхность представляет собой часть поверхности сферы и называется мениском (от греческого «менискос» — лунный серп). У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. а), а у несмачивающей выпуклый (рис. б).

Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь внутреннего сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривленная поверхность жидкости стремится выпрямиться и этим создает дополнительное давление р_л, которое при смачивании (вогнутый мениск) направлено от жидкости, а при несмачивании (вы­пуклый мениск) – внутрь жидкости. Величина этого давления была определена французским ученым П. Лапласом, поэтому его часто называют лапласовским давлением.

Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R это давление выражается формулой:

Если в воду опустить узкую стеклянную трубку (рис. а), то вода втягивается в трубку и ее уровень располагается на высоте h над уровнем воды вне трубки. Объясняется это тем, что лапласовское давление р_л в трубке направлено вверх. Оно и втягивает воду вверх до тех пор, пока не окажется уравновешенным гидростатическим давлением р_г столба воды в трубке высотой h, равным p_г=pgh. Поскольку р_л=2σ/R, то при р_л=р имеем 2σ/R=pgh, откуда

Из формулы видно, что высота h тем больше, чем меньше внутренний радиус трубки г.

Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капиллярами (от греческого «капиллярно» — волосной, тонкий).

Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх, а несмачивающая — опускается вниз.