2.11.5. Капілярне зчеплення

Відомо, що дві пластини, змочені рідиною, дуже важко роз'єднати, прикладаючи силу в напрямку, перпендикулярному пластинам. Причина такого сильного взаємодії пластин - наявність негативного тиску Лапласа. Будь-який елемент вільної поверхні рідини являє собою увігнутий циліндр (рис. 2.11.6). Тиск, що виникає через кривизну поверхні, буде негативним.

Рис. 2.11.6. Капілярне зчеплення

Отже, тиск в рідині буде менше нормального на величину тиску Лапласа, який для циліндричної поверхні в разі повного змочування дорівнюватиме

,

де d - відстань між пластинами.

Пластини будуть здавлені тиском Лапласа. Сила зчеплення пластин може бути визначена за формулою , де S - площа пластини, змоченою рідиною (площа підстави увігнутого циліндра). При малому зазорі d між пластинами, тиск Лапласа великий і тому сила зчеплення також має велике значення. Сила зчеплення також зростає при збільшенні площі поверхні пластини, змоченою рідиною.

2.11.6. Залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури і властивостей речовини

З підвищенням температури коефіцієнт поверхневого натягу рідин зменшується, а при критичній температурі дорівнює нулю. Коефіцієнт поверхневого натягу рідин залежить також від густини і молярної маси рідини. Причому залежність коефіцієнта поверхневого натягу від температури виражена тим сильніше, чим більше густина рідини і менше її молярна маса. Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу можна використовувати напівемпіричну формулу:

(2.11.11)

Тут В - постійний коефіцієнт, практично однаковий для всіх рідин, Т_к - критична температура, ρ – густина рідини, μ - її молярна маса, τ - невелика величина, яка має розмірність температури. Формула (2.11.11) непридатна для використання поблизу критичної температури. Коефіцієнт поверхневого натягу водних розчинів залежить від роду розчиненої речовини. Одні речовини, наприклад, такі як спирт, мило, пральні порошки, розчинені у воді, мають меншу, ніж у води густину і призводять до зменшення коефіцієнта поверхневого натягу; вони називаються поверхнево-активними речовинами.

Найбільш відомою поверхнево-активною речовиною по відношенню до води є мило. Воно сильно зменшує її коефіцієнт поверхневого натягу (приблизно з с 7,5·10^-2 до 4,5·10^-2 Н / м).

Інші речовини, що знижують поверхневий натяг води: спирти, ефіри, нафта та інші.

Існують речовини (цукор, сіль), які збільшують поверхневий натяг рідини завдяки тому, що їх молекули взаємодіють з молекулами рідини сильніше, ніж молекули рідини між собою. Наприклад, якщо посолити мильний розчин, то в поверхневий шар рідини виштовхуються молекули мила більше, ніж у прісній воді. У миловарної техніці мило "висаліваються" цим способом з розчину.

Поверхнево-активні речовини застосовують як змочувачі, флотаційні реагенти, піноутворювачі, диспергатори - знижувачі твердості, та в якості пластифікуючих добавок, модифікаторів кристалізації і т.п. Збільшення концентрації таких речовин призводить до зменшення коефіцієнта поверхневого натягу. Інші речовини, розчинені у воді, наприклад, цукор, сіль, призводять до збільшення густини розчину і збільшують коефіцієнт поверхневого натягу. Збільшення концентрації таких речовин призводить до збільшення коефіцієнта поверхневого натягу. Для експериментального визначення коефіцієнтів поверхневого натягу використовують кілька методів вимірювання: метод Ребіндера, метод капілярних хвиль, метод краплі і бульбашки та ін.

Явища змочування і незмочування мають велике значення в техніці.

Наприклад, у методі флотаційного збагачення руди (відділення руди від порожньої породи) її, дрібно роздроблену, збовтують в рідині, яка змочує порожню породу і не змочує руду. Через цю суміш продувається повітря, а потім вона відстоюється. При цьому змочені рідиною частинки породи опускаються на дно, а крупинки мінералів "прилипають" до бульбашок повітря і спливають на поверхню рідини.

Завдання для самопідготовки

1. Які причини особливих властивостей поверхневого шару рідин?

2. Як залежить коефіцієнт поверхневого натягу рідин від їх температури?

3. Як впливає поверхнево-активна речовина (ПАВ) на поверхневий натяг бітумів та води?

4. Як впливає температура на значення крайового кута змочування бітумом твердої поверхні?

5. Трубка має діаметр d = 0,2 см. На нижньому кінці трубки повисла крапля води, що має в момент відриву вигляд кульки Знайти діаметр d цієї краплі.

Відповідь: 4,4 мм.

6. Яку роботу А потрібно здійснити, щоб, видуваючи мильну бульбашку, збільшити її діаметр від d = 1 см до d = 11 см ? Вважати процес ізотермічним.

Відповідь: 3 мДж.

7. У дві однакові горизонтальні скляні трубки, що розширюються до одного кінця, ввели різні рідини. За якої умови краплі рідини в трубках переміщаються в протилежні сторони?