9.7.3. Капиллярные явления.

Капиллярные явления представляют собой совокупность явлений, обусловленных действием межфазного поверхностного натяжения на гра-нице раздела несмешивающихся сред.

К апиллярные явления являются частным случаем поверхностных яв-лений. Под действием поверхностного натяжения ограниченный объем жид-кости стремится принять форму шара, обладающего минимальной поверх-ностью.

В результате взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости происходит искривление поверхности. В этом случае существенное значение приобретает наличие или отсутствие смачивания жидкостью поверхности.

Если имеет место смачивание, при котором молекулы жидкости активнее взаимодействуют с поверхностью твердого тела, чем с молекулами другой жидкости или газа, то под действием разности сил межмолекулярного взаимодействия жидкость поднимается по стенке сосуда (рис. 9.7.2,а).

В противоположном случае, когда жидкость не смачивает поверх-ность твердого тела, наблюдается опускание уровня жидкости (рис. 9.7.2,б). Образуется выпуклый мениск, давление под которым положительно.

Гидростатическое давление, вызванное подъемом или опусканием уровня жидкости, уравновешивается капиллярным давлением, или разностью давлений над и под искривленной поверхностью. Вес столба жидкости высотой h₀ уравновешивает капиллярное давление ∆р.

(9.7.6)

где ρ₁ и ρ₂ — плотность жидкости и газа, σ₁₂ — межфазное поверхностное натяжение, r – радиус поверхности мениска. Значение r находится из соотношения

(9.7.7)

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны мениска в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Радиус кривизны связан с радиусом капилляра r_к соотношением r = - r_к/cos θ, где θ – краевой угол, образованный поверх-ностью жидкости со стенками капилляра.

Вводится капиллярная постоянная а, имеющая размерность длины

. (9.7.8)

Значение капиллярной постоянной, например, для воды, а = 0,38 см.

К капиллярным явлениям относят также впитывание жидкости, воз-никновение и распространение капиллярных волн, капиллярное движение жидкости, капиллярную конденсацию, испарение и растворение в присутствии искривленной поверхности.

Например, капиллярное передвижение жидкости может происходить из-за разности капиллярного давления, возникающей в результате различной кривизны поверхностей менисков.

Для смачивающих жидкостей поток направлен к мениску с меньшим радиусом кривизны, другими словами, в сторону меньшего давления.

Причиной капиллярного движения может стать также градиент поверхностного натяжения жидкости (рис. 9.7.3). Разность поверхностного натяжения может быть обусловлена и градиентом температуры, который вызывает градиент поверхностного натяжения. Такое термокапиллярное течение наблюдается при движении капель жидкости и пузырьков газа в неравномерно нагретой среде.

А налогичный эффект наблюдается и при изменении σ₁₂ при адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Под ПАВ понимают вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, другими словами, способностью адсорбироваться на меж-фазных границах и снижать поверхностное натяжение.

Поэтому жидкость перемещается в направлении, где адсорбция ПАВ на поверхности жидкости минимальна.

В случае физической адсорбции адсорбированная молекула свя-зывается с поверхностью посредством слабых связей типа Ван-дер-Ваальса. Это взаимодействие может быть описано кривой потенциальной энергии Е_п (рис. 9.7.4).

Молекула с кинетической энергией Е_к ,подлетающая к поверхности, должна потерять эту энергию, чтобы остаться на поверхности. Потеря энергии происходит за счет возбуждения решеточных фононов. После этого процесса молекула приобретает состояние равновесия и осциллирует в потенциальной яме. Глубина этой ямы равна энергии связи, или энергии адсорбции Е_ад. Покинуть потенциальную яму молекула может только если приобретет энергию больше высоты барьера Е_ад. На малых расстояниях между молекулами возникает достаточно большая сила отталкивания.

Типичные энергии связи адсорбированных молекул составляют ~0,25 эВ и менее. Время жизни адатома на поверхности определяется как

(9.7.9)

где τ₀ – период одного колебания, τ₀ ≈ 10 ^-12 с, k – постоянная Больцмана. Оценки показывают, что если E_ад ≥ 28 kТ, молекула существует на поверх-ности ~ 1 с.