14.2. Капиллярные явления

Капиллярные явления, явления возникающие в тонких трубках, которые называются капиллярами.

Из опытов известно, что в капиллярах жидкость может подниматься (миниск вогнутый) или опускаться (миниск выпуклый) (см. рис. 14.2).

Это следствие взаимодействия молекул жидкости между собой и с молекулами, атомами материала, из которого изготовлен капилляр (явление смачиваемости). В этих двух случаях радиус кривизны поверхности имеет разный знак. Следовательно, при вогнутом мениске давление внутри жидкости меньше, давления воздуха на величину и жидкость поднимается в капилляре над поверхностью налитой в широкий сосуд жидкости на высоту . При выпуклом мениске – поверхностное давление направлено вниз и уровень жидкости становится ниже ее уровня в широком сосуде на величину .

Найдем величину . Пусть мениск вогнутый. Тогда жидкость поднимется в капилляре на столько, чтобы давление ( - плотность жидкости) уравновесило поверхностное давление. Условие равновесия имеет вид:

.

Если поверхность мениска будем считать частью сферы радиуса , а для этого случая , получим или

.

Если поверхности выпуклая ( ), то и и мы получаем высоту опускания жидкости в капилляре.

14.3. Упругость пара над искривленной поверхностью

Итак, если поверхность вогнутая, то жидкость поднимается в капилляре, если выпуклая – опускается. Соответственно изменяется и давление пара вблизи поверхности (барометрическая формула). Давление пара над выпуклой поверхностью будет больше, чем над плоской, а над вогнутой – меньше. Разность давлений ( ) равна давлению парового столба высотой равной высоте капиллярного поднятия или опускания:

,

или

,

где - плотность пара.

Если (вогнутая поверхность), то , т.е. давление над вогнутой поверхностью в исходном состоянии больше, чем давление над плоской поверхностью (эта разность равна давлению поверхностного натяжения), если , то - давление над выпуклой поверхностью меньше, чем над плоской, находящейся на том же уровне.

В зависимости давления пара от кривизны поверхности заключается природа явлений перегрева и переохлаждения – метастабильных состояний.

Рассмотрим в качестве примера, пересыщенный пар, когда пар сохраняет газообразное состояние в условиях, при которых он уже должен перейти в жидкое состояние.

Пересыщенный пар, находящейся над плоской поверхностью жидкости из которой он образован, моментально конденсируется. Если жетакая поверхность отсутствует, то его конденсация должна начаться с образования маленьких капель, поверхность которых выпукла. Но пар, пересыщенный относительно плоской поверхности, может оказаться не пересыщенным, относительно выпуклой поверхности и случайно образовавшаяся маленькая капля будет неустойчива – рассосется. Если же случайно в паре образуется капля на столько большая, что относительно нее пар окажется пересыщенным, то начнется его конденсация. В ряде случаев образование таких больших капель маловероятно и поэтому такое метастабильное состояние как пересыщенный пар может существовать достаточно долго.

14.4. Тройная точка

На ( ) диаграмме (см. рис. 13.1 и 13.2) есть участок, на котором (при ) жидкая и газообразная фазы находятся в равновесии, при этом каждой температуре соответствует единственное давление.

Построим кривую зависимости давления от температуры (см. рис. 14.3), при которых имеет место равновесие этих двух фаз состояния вещества. Эта кривая заканчивается в точке (критическая точка), которой соответствует критическая температура. При температуре выше критической изотермы похожи на изотермы идеального газа – взаимодействие между молекулами достаточно слабое.

Можно также построить зависимость между давлением и температурой, при которых твердая и жидкая фазы вещества находятся в равновесии. Эти две кривые пересекутся в некоторой точке (тройная точка). В этой точке все три фазы состояния вещества будут находиться в равновесии. Мы получили фазовую диаграмму вещества. Участок, соответствующий переходу твердое тело – жидкость, называется кривой плавления.

Из фазовой диаграммы видно, что вещество при нагревании не обязательно из твердой фазы переходит в жидкую. При температуре ниже температуры, соответствующей тройной точке, снижение давления приводит к переходу твердого тела в газообразное состояние, а при давлении ниже давления, соответствующего тройной точке, повышение температуры – к аналогичному переходу. Это явление называется сублимацией или возгонкой. Твердая углекислота при атмосферном давлении сублимирует, т.к. ее тройной точке соответствует давление и температура .

Кривая равновесия газообразной и жидкой фазы заканчивается в критической точке . Далее существует либо только газ, либо только жидкость. Кривая же равновесия твердого тела и газа уходит в начало координат – при температуре нуль градусов Кельвина все вещества находятся в твердом состоянии. Это обстоятельство согласуется с понятием температуры как меры кинетической энергии движения молекул. При , кинетическая, а, следовательно, и внутренняя энергия движения молекул, атомов должна обращаться в нуль и основным фактором становится потенциальная энергия взаимодействия атомов (молекул). При этом атомы (молекулы) располагаются таким образом, чтобы потенциальная энергия была минимальной, что определяет некоторый порядок в их расположении – образуется кристаллическая решетка. При абсолютном нуле вещество должно быть кристаллическим.