2.5. Поверхностное натяжение. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления

На молекулу внутри жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих молекул.

Эти силы скомпенсированы и, поэтому, результирующая сила равна нулю. Для молекулы находящейся на поверхности сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости, равнодействующая всех сил не равна нулю и направлена внутрь жидкости.

Результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным или внутренним.

Молекулы жидкости, находящиеся внутри контура, притягивают молекулы образующие контур ℓ. Сумма сил притяжения, действующих на контур, ограничивающий поверхность жидкости, называется силой поверхностного натяжения.

,

где α – коэффициент поверхностного натяжения имеющий размерность Н/м.

При соприкосновении жидкости с поверхностью твердого тела ее свободная поверхность искривляется, в зависимости от сил действующих между молекулами поверхностных слоев жидкости и тела.

Угол между касательной к поверхности жидкости и твердого тела называется углом смачивания θ. Если θ < π/2, то жидкость смачивающая, а если θ > π/2, то несмачивающая (рис.8)

Рисунок 8.

Смачивание и несмачивание - понятия относительные, поскольку жидкость, смачивающая одну твердую поверхность, не смачивает другую (вода смачивает стекло, но не смачивает парафин, ртуть не смачивает стекло, но смачивает чистые поверхности металлов).

Капиллярами являются узкие щели, трубки малого диаметра (меньше 1мм), а явления изменения высоты уровня жидкости в капиллярах по отношению к уровню в широких сосудах называются капиллярными.

Рисунок 9.

В капиллярах, вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок, кривизна поверхности значительна. При смачивании поверхность жидкости – мениск – имеет вогнутую форму, а при насмачивании – выпуклую. Искривленная поверхность образует дополнительное давление, направление которого либо совпадает с гидравлическим, либо направлено в противоположную сторону. Оно определяется формулой Лапласа для круглого капилляра радиусом R при полном смачивании

,

Дополнительное давление для выпуклой поверхности положительно, а для вогнутой отрицательно.

Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту h, при которой гидростатическое давление равное ρgh уравновешивается дополнительным давлением

.

То есть

где ρ – плотность жидкости, R – радиус капилляра.

2.6. Эмболия

Рассмотрим поведение пузырька воздуха, находящегося в капилляре с жидкостью. Если давление на пузырек с обоих сторон одинаково, то оба мениска пузырька будут иметь одинаковый радиус кривизны, и силы дополнительного давления будут уравновешивать друг друга F₁ = F₂ (рис.10, а). При избыточном давлении с одной из сторон, например, при движении жидкости, мениски деформируются, изменяются их радиусы кривизны (рис.10, б), дополнительное давление с разных сторон будет неодинаковым. Это приведет к такому воздействию на жидкость со стороны пузырька воздуха (газа), которое затруднит или прекратит движение жидкости. Такие явления могут происходить в кровеносной системе.

Рисунок 10.

Попавшие в кровь пузырьки воздуха могут закупорить мелкий сосуд и лишить кровоснабжения какой-либо орган. Это явление, называемое эмболией, может привести к серьезному функциональному расстройству или даже летальному исходу. Так воздушная эмболия может возникнуть при ранении крупных вен, пузырьки воздуха не должны попадать в вены при внутренних вливаниях.

Газовые пузырьки могут появиться у водолазов при быстром подъеме с глубины, у летчиков и космонавтов при разгерметизации кабины или скафандра на большой высоте (газовая эмболия). Это обусловлено переходом газов крови из растворенного состояния в свободное в результате понижения окружающего атмосферного давления.