18.3. Капиллярно-пористые тела

Особыми свойствами обладают капиллярно-пористые тела, твердая дисперсионная среда которых пронизана порами капиллярных размеров. Если капилляры заполнены газом, то эти тела образуют систему Г/Т, а если жидкостью — Ж/Т. Иногда жидкостью заполняется только часть пор, т.е. образуются системы типа Г, Ж/Т.

К капиллярно-пористым телам относятся древесина, ткани, бумага, кирпич, войлок, фетр и др. В зависимости от содержания влаги их можно рассматривать как дисперсные системы типа Г/Т, Ж/Т или Г, Ж/Т.

Древесина состоит из клеток с одеревеневшими оболочками и имеет сосудистую капиллярно-пористую систему. Удивительные механические свойства древесины как замечательного конструкционного материала обусловлены ее структурой.

Как бы ни уплотняли бетон, в нем всегда имеются поры. Типичной формой этих пор являются короткие цилиндрические каналы, которые в некоторых сортах бетона имеют диаметр от 0,6 до 1000 нм.

Почвы можно рассматривать и как капиллярно-пористые тела. В основном пористость почвы колеблется в пределах от 40 до 60%. В торфяных почвах она возрастает до 90%, а в заболоченных снижается до 27%. Поровое пространство почвы заполнено воздухом, в котором находятся летучие органические соединения. Кроме того, там помещается и жидкая часть почвы — почвенный раствор, который осуществляет перенос веществ внутри почвы, вынос их из почвы, снабжение растений водой и растворенными веществами.

Одним из характерных поверхностных свойств капиллярно-пористых тел является подъем жидкости в порах (рис. 18). Капиллярный подъем самопроизвольный процесс, который связан с механическим перемещением жидкости относительно стенок капилляра.

В капилляре за счет смачивания образуется вогнутый мениск. На такой искривленной поверхности с радиусом кривизны r поверхностное натяжение σ_жг вызывает капиллярное давление Δp (см. рис. 2.6). В соответствии с формулой (2.23) давление за счет кривизны поверхности, можно представить в виде

Δp = (2σ_ЖГ/r)cos θ, (18.2)

г де θ — краевой угол смачивания (см. рис. 18).

Капиллярное давление уравновешивается весом P_Н столба жидкости высотой Н, т.е. Δp = Р_H. Это равенство с учетом формулы (18.2) и веса столба жидкости можно записать в следующем виде:

(2σ_ЖГ/r)cos θ = (ρ – ρ₀)gH, (18.3)

где ρ, ρ₀ — плотность жидкости и газа (воздуха).

В

Рис. 18. Капиллярный подъем жидкости, смачивающей поверхность пор

связи с тем что ρ >> ρ₀, плотностью газа можно пренебречь; тогда высоту подъема жидкости в капилляре определяют при помощи формулы

H = 2σ_ЖГ cos θ/(rρg) (18.4)

При полном смачивании, когда θ = 0 и cos θ = 1, формула (18.4) приобретает следующий вид:

H = 2σ_ЖГ/(rρg). (18.5)

При помощи формул (18.4) и (18.5) можно определить высоту подъема жидкости в капиллярно-пористых телах. В капилляре радиусом 1 мкм высота подъема воды может достигать 15 м.

Фактически размеры пор в дисперсных системах неодинаковы; поры направлены в различные стороны, а значительная часть из них является тупиковыми, т.е. не имеет продолжения. Поэтому для более точных расчетов в формулы (18.4) и (18.5) необходимо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие особенности пористого материала.

Капиллярный подъем жидкости имеет место в процессе пропитки и увлажнения структурированных капиллярно-пористых тел, он определяет влагосодержание почвы, питание растений.

На несмачивающейся поверхности, когда θ > 90⁰, образуется выпуклый мениск, а капиллярное давление направлено в глубь жидкости, что обусловливает всасывание жидкости в капилляр.

Г л а в а 19