Розділ 2. Молекулярна фізика і термодинаміка ( 4 год.)

Тема 4: Явища змочування і ка­пілярності в живій природі й техніці (2 год.).

Мета: ознайомити студентів із явищами змочування й капілярності.

План

1. Змочування й незмочування. Крайовий кут.

2. Капілярні явища. Явища капілярності у побуті, природі і техніці.

Література

1. В. Ф. Дмітрієва.Фізика.-К.:Техніка, 2008.-648 с.

2. С.У. Гончаренко. Фізика.-К.:Освіта,2012.-319 с.

1. Змочування. Якщо рідина межує з її парою, то взаємодії між молекулами слабкіші і їх можна не враховувати. Коли поверхневий шар рідини межує з твердим тілом, то взаємодію молекул рідини і твердого тіла слід враховувати. У повсякденному житті можна спостерігати, що крапля води розпливається по чистій поверхні скла (мал. 38, а), але не розпливається по забрудненій жиром поверхні і має при цьому форму майже правильної кулі (мал. 38, б). У першому випадку кажуть, що вода змочує поверхню, у іншому – не змочує.

а б

Мал. 38, а – змочування, б - незмочування

Якщо взаємодія молекул рідини менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то маємо випадок змочування і навпаки, коли ця взаємодія більша, – незмочування.

Явища змочування і незмочування відіграють важливу роль у побуті і техніці. Якби вода не змочувала тіло людини, то марним було б купання. Добре змочування потрібне під час фарбування і прання, паяння, збагачення руд цінних порід та інших технічних процесів.

Викривлену поверхню рідини у вузьких циліндричних трубах або біля стінок посудини називають меніском. У змочувальної рідини меніск угнутий, у не змочувальної – опуклий. Для рідини, яка змочує поверхню твердого тіла, крайовий кут – гострий , для не змочувальної рідини крайовий кут більше , для повного змочування , при повному незмочуванні

2. Капілярні явища. Змочування або незмочування рідиною стінок посудини впливає на форму вільної поверхні рідини у посудині, а також призводить до підняття або опускання рідини в них відносно рівня рідини у посудині, в яку занурено капіляр. Ці явища називаються капілярними. Як саме пояснити капілярні явища?

Опустимо в рідину густиною ρ циліндричний капіляр радіусом ≈ 1 мм (мал. 39).

Мал. 39. Підняття рідини у капілярі

Підняття рідини в капілярі припиниться тоді, коли сила тяжіння піднятого стовпа рідини зрівноважить рівнодійну сил поверхневого натягу:

.

Сила поверхневого натягу . Сила тяжіння .

Оскільки , рівність набуде вигляду:

.

Із рівності визначаємо висоту підняття рідини для циліндричного капіляра:

,

де – висота підняття рідини в циліндричному капілярі; σ – коефіцієнт поверхневого натягу рідини; ρ – густина рідини; – радіус капіляра; – прискорення вільного падіння.

Якщо рідина не змочує капіляр, то в цьому разі рівень рідини у ньому буде нижчим від рівня рідини у посудині. Різниця цих рівнів, яку також позначають через , має таку саму залежність від σ, ρ і , як і у разі змочування.

Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов’язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно 160·10⁹ капілярів, загальна довжина яких сягає 60 – 80 тис. км.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини. Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.