3. Явления на границе раздела твердого тела и жидкости. Смачивание. Краевой угол. Мениски.
Молекулы, находящиеся на границе с твёрдым телом, взаимодействуют как с молекулами жидкости, так и с молекулами твердого тела.
Если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела будут больше, чем между молекулами самой жидкости, то жидкость является смачивающей. В этом случае молекулы жидкости как бы приподнимаются по стенкам твердого тела в результате чего происходит искривление. Поверхность жидкости принимает вогнутую поверхность. Это явление поднятие жидкости у стенок носит название смачивание.
Ө < 90°
Искривлённая свободная поверхность называется мениском.
Вогнутая форма поверхности жидкости у стенок носит название вогнутого мениска.
Если же силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше, чем между молекулами самой жидкости, то жидкость является несмачивающей. В этом случае молекулы жидкости как бы опускаются по стенке сосуда вниз. В результате образуется выпуклая форма поверхности – выпуклый мениск.
Ө
> 90°
Если нанести на чистые стеклянные пластинки капли воды и ртути, то на границе со стеклом поверхность жидкости меняется и образуется мениск. Независимо от формы мениска силы поверхностного натяжения всегда направлены по касательной к свободной поверхности жидкости. Угол между поверхностью твёрдого тела, соприкасающейся с жидкостью, и касательной к мениску в точке пересечения её с твердым телом, называют краевым углом.(Ө)
Каждая конкретная жидкость не является абсолютно смачивающей или несмачивающей.
4. Добавочное давление. Формула Ла-Пласа. Капиллярность.
Если поверхность жидкости искривлена, то под мениском возникает дополнительное давление - добавочное. Это давление является дополнительным к молекулярному давлению под плоской поверхностью.
Добавочное давление вызывается силами поверхностного натяжения и бывает «+», если это давление направлено из жидкости в газ. Если давление направлено в глубь жидкости, то оно считается «-».
Силы поверхностного натяжения в каждой точке направлены по касательной к мениску. В случае вогнутого мениска равнодействующая этих сил направлен вверх. Следовательно, давление под вогнутым мениском меньше, чем под горизонтальной поверхностью на величину добавочного давления.
Рпод вогн.мениском.=Ратм.- Р добав.
Сила, создающая добавочное давление, направлена в сторону газовой фазы, следовательно, жидкость в вертикальном сосуде будет подниматься.
В случае выпуклого мениска равнодействующая сил поверхностного натяжения направлена вниз. Общее давление будет больше под горизонтальной поверхностью на величину добавочного давления.
Рпод вып.мениском.=Ратм. + Р добав.
Равнодействующая сил поверхностного натяжения, направленная вниз вызывает добавочное давление, которое, складываясь с внешним давлением, не позволяет жидкости подняться до уровня поверхности в широком сосуде.
Капилляр- узкая трубка или щель с малым внутренним диаметром. Смачивающая жидкость поднимается в капилляре выше уровня жидкости в широком сосуде ( рис.1). Несмачивающая жидкость опускается в капилляре ниже уровня жидкости в широком сосуде (рис.2).
рис.1 рис.2
Капиллярность- явление поднятия или опускания жидкости в капилляре по сравнению с уровнем жидкости в широком сосуде. Явление капиллярности распространено в природе и применяется в медицине. Капиллярное строение имеют сосуды растений, по которым идет сокодвижение.
Формула Ла-Пласа
Добавочное давление численно равно равнодействующей всех сил поверхностного натяжения, приходящихся на единицу площади свободной поверхности.
Соотношение справедливо при полном смачивании ( Ө = 0 ).
Если Ө ≠ 0, то
Р = 2σ cos Ө
R
.
Расчет высоты поднятия жидкости в капилляре.
Fтяж. = Fп.н.
mg = σℓ
ρVg = σℓ
ρShg = σℓ
ρπr2hg = σ2πr
ρrhg = 2σ
h = 2σ /ρrg