Явище капілярності

Ушироку судину з рідиною опустимо дві пластини, розташовані вертикально на значній відстані один від одного. Біля пластин добре помітні меніски (мал. а). В проміжках між пластинами поверхня рідини горизонтальна. Остання обставина свідчить про те, що вплив взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла помітний лише поблизу від пластин.

Зближуючи пластини (мал. би), можна помітити, що: а) меніски рідини між пластинами зливаються, і рідина приймає увігнуту форму; б) рівень рідини між пластинами підіймається вище за рівень рідини в широкій частині судини.

При зближенні пластин площа поверхні рідини між ними зменшується, і дія сил тяжіння молекул рідини і молекул стінок розповсюджується на всю цю поверхню. Правий і лівий меніски з'єднуються, і рідина приймає опуклу або увігнуту форму. З'являється рівнодіюча сил молекулярної взаємодії

Якщо поверхня рідини увігнута (см мал.), то її прагнення до скорочення приведе до виникнення рівнодіючої сили, направленої вертикально вгору. В результаті рідина підніметься.

Якщо поверхня рідини опукла, то її прагнення до скорочення приведе до виникнення результуючої сили, направленої вертикально вниз (див. мал.). В результаті рідина між пластинами опуститься нижче за рівень в широкій частині судини.

Велике значення в нашому житті має підняття рідин по тонких трубках. Такі трубки називають капілярними або капілярами (від латинського слова «капілля» - волосся).

Сила поверхневого натягу. Тиск Лапласа

У капілярах поверхня рідини має форму, близьку до півсфери. Сила поверхні рідини, яка прагне до скорочення поверхні рідини, називається силою поверхневого натягу . Сила спрямована по дотичній до поверхні рідини. Сила поверхневого натягу, що доводиться на одиницю довжини контуру, називається коефіцієнтом поверхневого натягу  (часто позначають ). [] = . При розчиненні NaCl у воді  підвищується, при додаванні мила - знижується.

F =l, де l - довжина контуру.

Якщо поверхня рідини не плоска, то прагнення її до скорочення приводить до виникнення тиску додаткового до того, що відчуває рідина з плоскою поверхнею. Якщо поверхня рідини сферичної форми, то величина - кривизна поверхні, де R - радіус кривизни поверхні. Якщо центр сфери поверхні знаходиться під поверхнею, то радіус кривизни позитивний, якщо центр кривизни лежить над поверхнею, то радіус кривизни негативний. В загальному випадку різні нормальні перерізи, проведені через одну і ту ж точку, мають різну кривизну. Якщо розглядати середню кривизну поверхні в точці, під якою визначається додатковий тиск, то одержимо формулу Лапласа:

.

Додатковий тиск обумовлює зміну рівня рідини в капілярах, унаслідок чого називається капілярним тиском. Таким чином, висота підняття (або опускання) рідини в капілярі обернено пропорційна радіусу капіляра

Між рідиною в капілярі і в широкій судині встановлюється така різниця рівнів h, щоб гідростатичний тиск дорівнював тиску Лапласа, де R - радіус кривизни меніска. R = rCos, де r - радіус капіляра. Тоді , причому  відповідає _р,г.- коефіцієнту поверхневого натягу на межі рідина - газ.