Lăsați lichidul să ude complet pereții capilari. Meniscul său are în acest caz forma unei emisfere (Fig. 7.27) cu o rază egală cu raza canalului capilar. r. Apoi direct sub meniscul concav (la punctul O) presiunea fluidului va fi mai mică decât presiunea atmosferică r 0 cu suma - (vezi § 7.6):
în profunzime h, corespunzător nivelului lichidului dintr-un vas larg (la punctul ÎN), La această presiune se adaugă presiune hidrostatică ρgh, Unde ρ - densitatea lichidului. Într-un vas larg la același nivel, adică direct sub suprafața plană a lichidului (în punctul C), presiunea este egală cu presiunea atmosferică r 0 . Deoarece lichidul este în echilibru, presiunile la același nivel (în punctele B și C) sunt egale. Prin urmare,
(7.7.2)
(7.7.3)
Înălțimea creșterii lichidului într-un capilar este direct proporțională cu tensiunea superficială a acestuia și invers proporțională cu raza canalului capilar și cu densitatea lichidului.
Adâncime h, pe care lichidul neumeziv coboară în capilar se calculează și folosind formula (7.7.3). Puteți verifica singur această declarație.
Formula (7.7.3) poate fi utilizată pentru a determina tensiunea superficială a. Pentru a face acest lucru, este necesar să măsurați înălțimea creșterii lichidului cât mai precis posibil. h și raza canalului tubului r. Cunoscând densitatea lichidului ρ , tensiunea superficială a poate fi găsită folosind formula:
Aceasta este una dintre cele mai comune moduri de a determina tensiunea superficială.
Fenomene capilare în natură, viața de zi cu zi și tehnologie
Mișcarea și conservarea apei în sol este extrem de importantă pentru plante. Solul are o structură liberă și există goluri între particulele sale individuale. Spațiile înguste reprezintă capilarele. Prin canalele capilare, apa se ridică la sistemul radicular al plantelor și le furnizează umiditatea necesară și sărurile hrănitoare.
Apa din sol se ridică prin capilare și se evaporă intens (Fig. 7.28). Pentru a reduce evaporarea, trebuie să distrugi capilarele. Acest lucru se realizează prin afânarea solului.
Uneori, dimpotrivă, este necesară creșterea fluxului de umiditate prin capilare. Apoi solul este rulat, crescând astfel numărul de canale capilare.
Este curios dacă apa cu substanțe dizolvate în ea se poate ridica în vârful copacilor înalți din cauza tensiunii superficiale (înălțimea, de exemplu, sequoia este mai mare de 100 m). Raza capilarelor din lemn este de la 0,01 la 0,3 mm. Aceasta înseamnă că în cele mai subțiri capilare, apa nu se ridică peste 1,5 m, datorită presiunii atmosferice, nu poate crește mai mult de 10 m, chiar dacă se creează un vid la capătul tubului. Presiunea osmotică, datorită căreia presiunea în soluție este mai mare decât într-un lichid pur, nu poate ridica apa mare.
Rămâne singura presupunere: apa din capilare este în stare întinsă, dar nu izbucnește din cauza atracției moleculelor sale. Pe măsură ce apa se evaporă din frunze, gravitația o ridică în sus. Măsurătorile directe au arătat că presiunea din capilarele lemnului este într-adevăr negativă și poate ajunge la -25 atm.
În viața de zi cu zi, fenomenele capilare sunt utilizate într-o mare varietate de circumstanțe. Aplicând hârtie absorbantă, îndepărtați excesul de cerneală din scrisoare și ștergeți locurile umede de pe masă sau podea cu o cârpă de bumbac sau in. Utilizarea prosoapelor și șervețelelor este posibilă numai datorită prezenței capilarelor în ele. Creșterea kerosenului sau a stearinei topite de-a lungul fitilurilor lămpilor și lumânărilor se datorează prezenței canalelor capilare în fitil. În tehnologie, metoda fitilului de furnizare a uleiului este uneori folosită ca una dintre modalitățile de a furniza lubrifiant pieselor mașinii.
În industria construcțiilor, este necesar să se țină cont de creșterea umidității din sol prin porii materialelor de construcție. Din această cauză, pereții clădirilor devin umezi. Pentru a proteja fundația și pereții de efectele apei subterane și ale umezelii, hidroizolarea este utilizată prin acoperirea fundației cu bitum fierbinte (lichid) sau acoperirea acesteia cu material laminat impermeabil (pâslă de acoperiș sau pâslă de acoperiș).
Există o mare varietate de tuburi înguste (capilare) în natură și tehnologie. În aceste tuburi, lichidul fie se ridică la o înălțime 
,
sau cade pe o distanță determinată de aceeași formulă. Multe procese din natură și tehnologie sunt cauzate de aceste mișcări.
17.5. Fenomene capilare. legea lui Jurin
Modificarea înălțimii nivelului lichidului în conductele înguste (capilare) sau golurile dintre doi pereți se numește capilaritate.
Fenomenele de capilaritate sunt asociate cu interactiunea dintre moleculele unui lichid si a unui solid, cu fenomenul de umezire. În timpul fenomenelor capilare, suprafața lichidului este distorsionată, ceea ce duce la apariția unei presiuni suplimentare, sub influența căreia nivelul lichidului din capilare fie crește dacă lichidul își umezește suprafața, fie scade dacă lichidul nu nu umezi suprafata capilarului. Înălțimea creșterii (căderii) lichidului în capilare depinde de raza acestuia (Fig. 17.7).
Să presupunem că lichidul udă pereții capilarului, se formează un menisc concav, a cărui rază de curbură este R. Forța suplimentară datorată curburii suprafeței este îndreptată în sus spre centrul de curbură. Creează o presiune suplimentară, sub influența căreia lichidul se ridică la o înălțime h. Creșterea lichidului va continua până când presiunea suplimentară p echilibrează presiunea hidrostatică p, adică.
G 
de 
R este raza de curbură a suprafeței lichidului;
r este raza capilarului.
Astfel avem
;
,
.
(17.34)
Din expresia (17.34) putem trage următoarele concluzii:
1. La = 0, lichidul udă complet pereții capilarului. În acest caz
; (17.35)
2. Când >/2 lichidul nu udă pereții capilarului h<0, т.е. уровень жидкости в капилляре ниже уровня этой жидкости в сосуде.
În golul îngust dintre plăcile paralele scufundate în lichid, lichidul urcă sau coboară și el. În acest caz, meniscul are o formă cilindrică. Raza sa de curbură este legată de distanța d dintre plăci prin relație
.
(17.36)
În acest caz, presiune suplimentară 
, iar condiția de echilibru pentru coloana de lichid are forma
.
(17.37)
Înălțimea de ridicare a lichidului
.
(17.38)
Ecuația (17.38) reprezintă legea lui Joursin. Fenomenele capilare conduc la forțe de adeziune semnificative între plăcile umede. De exemplu, într-un decalaj îngust între plăcile de sticlă de 10 -6 m, p ~ 1,4110 5 Pa, adică. plăcile de 0,1 x 0,1 m sunt atrase cu o forță de aproximativ 1400 N. Acest lucru se datorează faptului că, din cauza curburii suprafeței lichidului, presiunea dintre plăci este mai mică decât cea atmosferică cu o cantitate.
,
Fenomenele capilare joacă un rol semnificativ în natură și tehnologie. Datorită fenomenelor capilare, apa se ridică din sol de-a lungul trunchiurilor copacilor și vegetației, iar umezeala se ridică de-a lungul pereților caselor și clădirilor. Se efectuează procese legate de circulația sângelui, absorbția umidității prin hârtie de filtru, ridicarea kerosenului de-a lungul fitilului în lămpile cu kerosen etc.
17.6. Descrierea cinematică a mișcării fluidului
Ramurile mecanicii in care se studiaza miscarea lichidelor si gazelor se numesc hidromecanica si aeromecanica.
Hidro - și aeromecanica, la rândul lor, se împarte în hidro - și aerostatică, în care se studiază echilibrul lichidelor și gazelor, și hidro - și aerodinamică, în care se studiază mișcarea lichidelor și gazelor împreună cu motivele care dau naștere. la această mișcare.
O proprietate comună a lichidelor și gazelor este modificarea volumului și formei lor sub influența unor forțe arbitrar mici.
Când volumul și forma unui lichid se modifică, în el apar forțe finite, care echilibrează acțiunea forțelor externe. În consecință, lichidele și gazele se comportă în același mod ca și solidele. Prin urmare, lichidul și gazul, precum și solidele elastice, sunt împărțite în volume mici separate, în care atomii și moleculele individuale se mișcă în același mod. Legile generale ale mecanicii unui sistem de puncte care nu sunt rigid legate între ele sunt aplicabile acestor elemente mici de lichide și gaze. Dacă luăm în considerare un lichid sau un gaz în repaus sau mișcările lor, în care pozițiile relative ale elementelor individuale nu se modifică, atunci, cu un anumit grad de precizie, legile dinamicii pot fi aplicate volumelor unor astfel de lichide. solid. În acest caz, putem vorbi despre: centrul de greutate al volumului, momentul forței care acționează asupra volumului, starea de echilibru a unui lichid sau gaz etc., adică volumul de lichid sau gaz este considerat solidificat. . Această metodă de studiere a lichidelor și gazelor se numește principiul solidificării.
Părțile individuale ale lichidelor și gazelor acționează unele asupra altora sau asupra corpurilor în contact cu acestea cu o forță în funcție de gradul de comprimare a acestora. Acest impact este caracterizat de o cantitate numită presiune. Deoarece forța care acționează de la un element asupra altuia este întotdeauna normală zonei pe care acționează, atunci presiunea
.
(17.39)
Presiunea este o mărime scalară și nu depinde de orientarea zonei dS. Acest lucru poate fi dovedit folosind principiul solidificării și starea de echilibru a unui corp solid.
Să selectăm într-un loc un anumit volum de lichid sub forma unei prisme triunghiulare. În acest caz, pe fiecare dintre fețe vor acționa următoarele forțe:
,
,
.
(17.40)
Deoarece sistemul trebuie să fie în echilibru, condiția trebuie îndeplinită 
, adică
.
(17.41)
În acest caz, forțele formează un triunghi asemănător triunghiului cu secțiunea transversală a unei prisme. Apoi, împărțind mărimea forței care acționează asupra feței la lungimea feței corespunzătoare, vom avea:
.
(17.42)
Deoarece l 1 S 1, l 2 S 2, l 3 S 3, atunci
. (17.43)
Deoarece orientarea prismei în spațiu a fost aleasă în mod arbitrar, rezultă că mărimea presiunii nu depinde într-adevăr de orientarea locului.
Când se studiază presiunea în diferite puncte ale lichidelor și gazelor în repaus, se poate aplica starea de echilibru a unui corp solid, totuși, în acest caz, forțele gravitaționale nu pot fi neglijate, așa cum s-a făcut când se ia în considerare un volum mic;
Să luăm în considerare distribuția presiunii într-un fluid situat într-un câmp de forțe gravitaționale. Pentru a face acest lucru, selectăm un volum cilindric situat orizontal în lichid cu o secțiune transversală S.
Deoarece forța gravitațională este direcționată vertical, componentele sale în direcția orizontală sunt egale cu 0. În consecință, doar două forțe vor acționa de-a lungul axei cilindrului, apoi în funcție de starea de echilibru. 
, adică
.
(17.44)
Astfel, în toate punctele lichidului aflate la același nivel, presiunea are aceeași valoare.
Dacă luăm același cilindru, dar situat vertical, atunci în acest caz de-a lungul axei sale, pe lângă forțele de presiune, o forță gravitațională egală cu
,
(17.45)
unde este densitatea lichidului;
h este înălțimea cilindrului.
În acest caz, starea de echilibru va avea forma
sau 
. (17.46)
În consecință, presiunea la două niveluri diferite diferă printr-o cantitate egală cu greutatea unei coloane verticale de lichid închisă între aceste niveluri, cu o suprafață în secțiune transversală egală cu unitatea.
O consecință a diferitelor presiuni la diferite niveluri în lichide și gaze este prezența unei forțe de plutire (forța lui Arhimede) care acționează asupra corpurilor care se află în ele.
Pentru ca un corp complet scufundat într-un lichid sau gaz să fie în echilibru, forța de plutire (de ridicare) și forța de gravitație trebuie să fie egale. Aceste forțe trebuie să fie pe aceeași linie dreaptă. Aceste. centrul de greutate al corpului și centrul de greutate al volumului de fluid deplasat trebuie să se afle pe aceeași linie verticală, iar centrul de greutate al corpului trebuie să se afle sub centrul de greutate al acestui volum. Această condiție este îndeplinită la proiectarea și construcția dispozitivelor subacvatice și zburătoare.
Proprietățile lichidelor.
Caracteristicile stării lichide a materiei. Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de alta, ca și în stare solidă. Prin urmare, volumul lichidului depinde puțin de presiune. Constanța volumului ocupat este o proprietate comună corpurilor lichide și solide și le deosebește de gaze, care sunt capabile să ocupe orice volum care le este furnizat.
Posibilitatea de mișcare liberă a moleculelor unele față de altele determină proprietatea de fluiditate a unui lichid. Un corp în stare lichidă, precum și în stare gazoasă, nu are o formă constantă. Forma unui corp lichid este determinată de forma vasului în care se află lichidul, de acțiunea forțelor externe și a forțelor de tensiune superficială. Libertatea mai mare de mișcare a moleculelor dintr-un lichid duce la o rată mai mare de difuzie în lichide în comparație cu solide și oferă posibilitatea de a dizolva solidele în lichide.
Tensiune superficială.
Tensiune superficială. Manifestarea forțelor este asociată cu forțele de atracție dintre molecule și mobilitatea moleculelor din lichide tensiune superficială.
În interiorul unui lichid, forțele atractive care acționează asupra unei molecule din moleculele învecinate sunt compensate reciproc. Orice moleculă situată în apropierea suprafeței unui lichid este atrasă de moleculele aflate în interiorul lichidului. Sub influența acestor forțe, moleculele de la suprafața lichidului se deplasează în lichid și numărul de molecule de pe suprafață scade până când suprafața liberă a lichidului atinge valoarea minimă posibilă în condițiile date. O sferă are aria minimă a suprafeței dintre corpurile unui volum dat de aceea, în absența sau acțiunea neglijabilă a altor forțe, lichidul, sub influența forțelor de tensiune superficială, ia forma unei sfere;
Proprietatea de contracție a suprafeței libere a unui lichid în multe fenomene arată ca și cum lichidul este acoperit cu o peliculă elastică subțire, întinsă, care tinde să se contracte.
Forța tensiunii superficiale este forța care acționează de-a lungul suprafeței unui lichid perpendicular pe linia care limitează această suprafață și tinde să o reducă la minim.
Agățați un fir în formă de U de cârligul unui dinamometru cu arc. Lungimea laterală AB egal cu l. Întinderea inițială a arcului dinamometrului sub acțiunea gravitației sârmei poate fi exclusă din luare în considerare prin setarea diviziunii la scară zero opusă indicatorului forței care acționează.
Să coborâm firul în apă, apoi să coborâm încet vasul cu apă în jos (Fig. 92). Experiența arată că în acest caz se formează o peliculă de lichid de-a lungul sârmei și arcul dinamometrului este întins. Folosind citirile dinamometrului, puteți determina forța de tensiune superficială. Trebuie avut în vedere faptul că pelicula lichidă are două suprafețe (Fig. 93) și forța elastică este egală ca modul cu dublul forței de tensiune superficială:
Dacă iei un fir cu o latură AB, de două ori mai lung, atunci forța de tensiune superficială este de două ori mai mare. Experimentele cu fire de diferite lungimi arată că raportul dintre modulul forței de tensiune superficială care acționează la limita unui strat de suprafață de lungime l, la această lungime există o valoare constantă care nu depinde de lungime l. Această cantitate se numește coeficient de tensiune superficialăși este notat cu litera greacă „sigma”:
. (27.1)
Coeficientul de tensiune superficială este exprimat în newtoni pe metru(N/m). Tensiunea superficială variază între lichide.
Dacă forțele de atracție dintre moleculele lichide sunt mai mici decât forțele de atracție dintre moleculele lichide și suprafața unui solid, atunci lichidul udă suprafața solidului. Dacă forțele de interacțiune dintre moleculele lichide și moleculele solide sunt mai mici decât forțele de interacțiune dintre moleculele lichide, atunci lichidul nu udă suprafața solidului.
Fenomene capilare.
Fenomene capilare. Particularitățile interacțiunii lichidelor cu suprafețele umede și neumectabile ale solidelor sunt cauza fenomenelor capilare.
Capilar numit tub cu un diametru interior mic. Luați un tub de sticlă capilar și scufundați un capăt în apă. Experiența arată că în interiorul tubului capilar nivelul apei este mai mare decât nivelul suprafeței apei deschise.
Când suprafața unui corp solid este complet umezită de un lichid, forța tensiunii superficiale poate fi considerată direcționată de-a lungul suprafeței corpului solid perpendicular pe limita de contact dintre corpul solid și lichid. În acest caz, creșterea lichidului de-a lungul suprafeței umede continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar și îndreptată în jos devine egală ca mărime cu forța tensiunii superficiale care acționează de-a lungul limitei de contact a lichidului. cu suprafața capilarului (Fig. 94):
,
.
De aici aflăm că înălțimea ridicării coloanei de lichid în capilar este invers proporțională cu raza capilarului:
(27.2)
formula lui Laplace.
Stratul de suprafață al lichidului are proprietăți speciale. Moleculele lichide din acest strat se află în imediata apropiere a unei alte fază - gaz. O moleculă situată în apropierea interfeței lichid-gaz are vecinii cei mai apropiați doar pe o parte, astfel încât adăugarea tuturor forțelor care acționează asupra acestei molecule dă o rezultantă direcționată în lichid. În consecință, orice moleculă lichidă situată în apropierea suprafeței libere are un exces de energie potențială în comparație cu moleculele aflate în interior.
Pentru a transfera o moleculă din cea mai mare parte a lichidului la suprafață, trebuie să se lucreze. Pe măsură ce suprafața unui anumit volum de lichid crește, energia internă a lichidului crește. Această componentă a energiei interne este proporțională cu suprafața lichidului și se numește energie de suprafață. Cantitatea de energie de suprafață depinde de puterea interacțiunilor moleculare și de numărul de molecule învecinate cele mai apropiate. Pentru diferite substanțe, energia de suprafață capătă valori diferite. Energia stratului de suprafață al unui lichid este proporțională cu aria acestuia: E= σ ·S
Mărimea forței F care acționează pe unitatea de lungime a limitei suprafeței determină tensiunea superficială a lichidului: σ = F/ L; σ- coeficientul tensiunii superficiale a lichidului, N/m.
Cel mai simplu mod de a înțelege natura forțelor de tensiune superficială este să observați formarea unei picături în apropierea unui robinet ușor închis. Priviți cu atenție cum picătura crește treptat, se formează o îngustare - gâtul și picătura se desprind. Stratul de suprafață de apă se comportă ca o peliculă elastică întinsă.
Puteți așeza cu grijă acul de cusut pe suprafața apei. Pelicula de suprafață se va îndoi și va împiedica acul să se scufunde.
Din același motiv, insectele ușoare - păsări de apă - pot aluneca rapid de-a lungul suprafeței apei. Deformarea filmului nu permite scurgerea apei, turnată cu atenție într-o sită destul de groasă Țesătura este aceeași sită formată prin împletirea firelor. Tensiunea de suprafață face foarte dificilă pătrunderea apei, astfel încât materialul nu se udă instantaneu. Din cauza forțelor de tensiune superficială, se formează spumă.
Modificarea tensiunii superficiale
Când un lichid intră în contact cu un solid, apare fenomenulumezire sau neumezitoare. Dacă forțele de interacțiune dintre moleculele unui lichid și a unui corp solid sunt mai mari decât între moleculele unui lichid, atunci lichidul se răspândește pe suprafața corpului solid, adică. umedă și invers, dacă forțele de interacțiune dintre moleculele lichidului sunt mai mari decât cele dintre moleculele lichidului și solidului, atunci lichidul se adună într-o picătură și nu umezește suprafața lichidului.
Fenomene capilare.
În natură, se găsesc adesea corpuri care au o structură poroasă (penetrată cu multe canale mici). Hârtia, pielea, lemnul, pământul și multe materiale de construcție au această structură. Apa sau alt lichid care cade pe un astfel de corp solid poate fi absorbit în el, ridicându-se la o înălțime mare. Acesta este modul în care umiditatea crește în tulpinile plantei, kerosenul crește de-a lungul fitilului, iar țesătura absoarbe umezeala. Astfel de fenomene se numesc capilare.
Într-un tub cilindric îngust, lichidul de umectare se ridică în sus datorită forțelor de interacțiune moleculară, luând o formă concavă. Sub suprafața concavă apare o presiune suplimentară, îndreptată în sus și, prin urmare, nivelul lichidului din capilar este mai mare decât nivelul suprafeței libere. Un lichid neumeziv ia o suprafață convexă. Sub suprafața convexă a lichidului apare o presiune suplimentară inversă, îndreptată în jos, astfel încât nivelul lichidului cu menisc convex este mai mic decât nivelul suprafeței libere.
Cantitatea de presiune suplimentară este p= 2 σ / R
Lichidul din capilar se ridică la o astfel de înălțime încât presiunea coloanei de lichid echilibrează excesul de presiune. Înălțimea creșterii lichidului în capilar este egală cu: h = 2 σ / ρgr
Adsorbția este un fenomen similar cu umezirea, observat atunci când fazele solide și gazoase intră în contact. Dacă forțele de interacțiune dintre moleculele unui solid și gaz sunt mari, atunci corpul este acoperit cu un strat de molecule de gaz. Substanțele poroase au o mare capacitate de adsorbție. Capacitatea cărbunelui activ de a adsorbi cantități mari de gaz este utilizată în măștile de gaz, în industria chimică și în medicină.
Valoarea tensiunii superficiale
Conceptul de tensiune superficială a fost introdus pentru prima dată de J. Segner (1752). În prima jumătate a secolului al XIX-lea. Pe baza conceptului de tensiune superficială a fost elaborată teoria matematică a fenomenelor capilare (P. Laplace, S. Poisson, K. Gauss, A.Yu. Davidov). În a 2-a jumătate a secolului al XIX-lea. J. Gibbs a dezvoltat o teorie termodinamică a fenomenelor de suprafață, în care tensiunea superficială joacă un rol decisiv. Printre problemele actuale de presare se numără dezvoltarea teoriei moleculare a tensiunii superficiale a diferitelor lichide, inclusiv a metalelor topite. Forțele de tensiune superficială joacă un rol semnificativ în fenomenele naturale, biologie, medicină, în diverse tehnologii moderne, tipărire, inginerie și în fiziologia corpului nostru. Fără aceste puteri nu am putea scrie cu cerneală. Un stilou obișnuit nu ar extrage cerneală din călimară, dar un stilou automat ar face imediat o pată mare, golindu-și întregul rezervor. Ar fi imposibil să vă săpunați mâinile: nu s-ar forma spumă. Regimul de apă al solului ar fi perturbat, ceea ce ar fi dezastruos pentru plante. Funcții importante ale corpului nostru ar fi afectate. Manifestările forțelor tensiunii superficiale sunt atât de diverse încât nici măcar nu este posibil să le enumerăm pe toate.
În medicină, se măsoară tensiunea de suprafață dinamică și de echilibru a serului sanguin venos, care poate fi utilizat pentru diagnosticarea bolii și monitorizarea tratamentului. S-a stabilit că apa cu tensiune superficială scăzută este mai accesibilă din punct de vedere biologic. Intră mai ușor în interacțiuni moleculare, atunci celulele nu vor trebui să risipească energie pentru a depăși tensiunea de suprafață.
Volumul de imprimare pe folii polimerice este în continuă creștere datorită dezvoltării rapide a industriei de ambalare și a cererii mari de bunuri de larg consum în ambalaje din polimeri colorate. O condiție importantă pentru implementarea competentă a unor astfel de tehnologii este determinarea precisă a condițiilor de utilizare a acestora în procesele de imprimare. În imprimare, este necesară prelucrarea plasticului înainte de imprimare, astfel încât cerneala să adere la material. Motivul este tensiunea superficială a materialului. Rezultatul este determinat de modul în care lichidul udă suprafața produsului. Udarea este considerată optimă atunci când o picătură de lichid rămâne în același loc în care a fost aplicată. În alte cazuri, lichidul se poate rostogoli într-o picătură sau, dimpotrivă, se poate răspândi. Ambele cazuri duc în mod egal la rezultate negative în timpul transferului vopselei.
Cateva concluzii:
1. Un lichid poate umezi sau nu un solid.2. Coeficientul de tensiune superficială depinde de tipul de lichid.
3. Coeficientul de tensiune superficială depinde de temperatură
4. Înălțimea creșterii lichidului în capilar depinde de diametrul acestuia. d h ↓
5. Forța tensiunii superficiale depinde de lungimea suprafeței libere a lichidului. l F
Dintre procesele care pot fi explicate folosind tensiunea superficială și umezirea lichidelor, merită evidențiate fenomenele capilare. Fizica este o știință misterioasă și extraordinară, fără de care viața pe Pământ ar fi imposibilă. Să ne uităm la cel mai izbitor exemplu al acestei discipline importante.
În practica de viață, procese atât de interesante din punctul de vedere al fizicii, cum ar fi fenomenele capilare, apar destul de des. Chestia este că în viața de zi cu zi suntem înconjurați de multe corpuri care absorb ușor lichidul. Motivul pentru aceasta este structura lor poroasă și legile elementare ale fizicii, iar rezultatul sunt fenomene capilare.
Tuburi înguste
Un capilar este un tub foarte îngust în care lichidul se comportă într-un mod special. Există multe exemple de astfel de vase în natură - capilare ale sistemului circulator, corpuri poroase, sol, plante etc.
Fenomenul capilar este ridicarea sau scăderea lichidelor prin tuburi înguste. Astfel de procese sunt observate în canalele naturale ale oamenilor, plantelor și altor corpuri, precum și în vase speciale de sticlă înguste. Imaginea arată că s-au stabilit diferite niveluri de apă în tuburi comunicante de diferite grosimi. Se observă că cu cât vasul este mai subțire, cu atât nivelul apei este mai mare.
Aceste fenomene stau la baza proprietăților absorbante ale unui prosop, nutriția plantelor, mișcarea cernelii de-a lungul tijei și multe alte procese.
Fenomene capilare în natură
Procesul descris mai sus este extrem de important pentru menținerea vieții plantelor. Solul este destul de afânat, există goluri între particulele sale, care reprezintă o rețea capilară. Apa se ridică prin aceste canale, hrănind sistemul radicular al plantelor cu umiditate și toate substanțele necesare.
Prin aceleași capilare, lichidul se evaporă în mod activ, așa că este necesar să se arate solul, care va distruge canalele și va reține nutrienții. În schimb, solul presat va evapora umiditatea mai repede. Aceasta explică importanța arăturii solului pentru a reține fluidul din subsol.
La plante, sistemul capilar asigură că umiditatea se ridică de la rădăcinile mici până la părțile superioare, iar prin frunze se evaporă în mediul extern.
Tensiune superficială și umezire
Problema comportamentului lichidelor din vase se bazează pe procese fizice precum tensiunea superficială și umezirea. Fenomenele capilare provocate de acestea sunt studiate în complex.
Sub influența tensiunii superficiale, fluidul de umectare din capilare este peste nivelul la care ar trebui să fie conform legii vaselor comunicante. În schimb, substanța care nu udă este situată sub acest nivel.
Astfel, apa dintr-un tub de sticlă (lichid de umectare) se ridică la o înălțime mai mare cu cât vasul este mai subțire. Dimpotrivă, cu cât recipientul este mai subțire, cu atât mercurul este mai mic într-o eprubetă de sticlă (un lichid neumeziv). În plus, așa cum este indicat în imagine, lichidul de umectare formează o formă concavă a meniscului, iar lichidul care nu udă formează o formă convexă.
Udare
Acesta este un fenomen care are loc la limita unde un lichid intră în contact cu un solid (alt lichid, gaze). Apare din cauza interacțiunii speciale a moleculelor la limita contactului lor.
Udarea completă înseamnă că picătura se răspândește pe suprafața unui solid, în timp ce neumezirea o transformă într-o sferă. În practică, unul sau altul grad de umectare este mai frecvent decât opțiunile extreme.
Forța de tensiune superficială
Suprafața picăturii are o formă sferică și motivul pentru aceasta este legea care acționează asupra lichidelor - tensiunea superficială.
Fenomenele capilare se datorează faptului că partea concavă a lichidului din tub tinde să se îndrepte la o stare plată din cauza forțelor de tensiune superficială. Acest lucru este însoțit de faptul că particulele exterioare transportă în sus corpurile de sub ele, iar substanța se ridică în tub. Cu toate acestea, lichidul din capilar nu poate lua o formă de suprafață plană, iar acest proces de creștere continuă până la un anumit punct de echilibru. Pentru a calcula înălțimea la care se va ridica (cădea) coloana de apă, trebuie să utilizați formulele care vor fi prezentate mai jos.
Calculul înălțimii coloanei de apă
Momentul în care se oprește ridicarea apei într-un tub îngust apare atunci când forța gravitațională P a substanței echilibrează forța tensiunii superficiale F. Acest moment determină înălțimea ridicării lichidului. Fenomenele capilare sunt cauzate de două forțe direcționate diferit:
- forța gravitației P șuvița forțează lichidul să cadă;
- Forța de tensiune superficială F mișcă apa în sus.
Forța de tensiune superficială care acționează în jurul cercului în care lichidul este în contact cu pereții tubului este egală cu:
unde r este raza tubului.
Forța gravitațională care acționează asupra lichidului din tub este:
Catena P = ρπr2hg,
unde ρ este densitatea lichidului; h este înălțimea coloanei de lichid din tub;
Deci, substanța va înceta să crească cu condiția ca P grea = F, ceea ce înseamnă că
ρπr 2 hg = σ2πr,
prin urmare, înălțimea lichidului din tub este:
În mod similar, pentru un lichid neumeziv:
h este înălțimea substanței din tub. După cum se poate observa din formule, înălțimea la care se ridică (cad) apa dintr-un vas îngust este invers proporțională cu raza recipientului și cu densitatea lichidului. Acest lucru se aplică lichidelor umede și neumezive. În alte condiții, este necesar să se facă o ajustare pentru forma meniscului, care va fi prezentată în capitolul următor.
Presiunea Laplace
După cum sa menționat deja, lichidul din tuburile înguste se comportă în așa fel încât pare că legea vaselor comunicante este încălcată. Acest fapt însoțește întotdeauna fenomenele capilare. Fizica explică acest lucru folosind presiunea Laplace, care este îndreptată în sus atunci când este prezent lichidul de umectare. Coborând un tub foarte îngust în apă, observăm cum lichidul este atras la un anumit nivel h. Conform legii vaselor comunicante, acesta trebuia echilibrat cu nivelul apei din exterior.
Această discrepanță este explicată prin direcția presiunii Laplace p l:
În acest caz, este îndreptată în sus. Apa este atrasă în tub până la un nivel în care se echilibrează cu presiunea hidrostatică p g a coloanei de apă:
iar dacă p l =p g, atunci putem echivala cele două părți ale ecuației:
Acum, înălțimea h poate fi derivată cu ușurință sub formă de formulă:
Când umezirea este completă, atunci meniscul, care formează suprafața concavă a apei, are forma unei emisfere, unde Ɵ=0. În acest caz, raza sferei R va fi egală cu raza internă a capilarului r. De aici obținem:
Și în cazul umezării incomplete, când Ɵ≠0, raza sferei poate fi calculată folosind formula:
Apoi, înălțimea dorită, corectată pentru unghi, va fi egală cu:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
Din ecuațiile prezentate reiese clar că înălțimea h este invers proporțională cu raza internă a tubului r. Apa atinge cea mai mare înălțime în vase cu diametrul unui păr uman, care se numesc capilare. După cum se știe, un fluid de umectare este tras în sus, iar un fluid care nu udă este împins în jos.
Puteți efectua un experiment luând vase comunicante, unde una dintre ele este lată, iar cealaltă este foarte îngustă. După ce ați turnat apă în el, puteți observa un nivel diferit de lichid, iar în versiunea cu o substanță umedă, nivelul în tubul îngust este mai mare, iar cu o substanță care nu umezește, este mai scăzut.
Importanța fenomenelor capilare
Fără fenomene capilare, existența organismelor vii este pur și simplu imposibilă. Prin cele mai mici vase corpul uman primește oxigen și substanțe nutritive. Rădăcinile plantelor sunt o rețea de capilare care atrag umiditatea din sol, aducându-l la frunzele de sus.
Curățarea simplă a gospodăriei este imposibilă fără fenomene capilare, deoarece, conform acestui principiu, materialul absoarbe apa. Un prosop, cerneală, un fitil într-o lampă cu ulei și multe dispozitive funcționează pe această bază. Fenomenele capilare din tehnologie joacă un rol important în uscarea corpurilor poroase și a altor procese.
Uneori, aceleași fenomene dau consecințe nedorite, de exemplu, porii cărămizii absorb umiditatea. Pentru a evita umezirea clădirilor sub influența apelor subterane, trebuie să protejați fundația cu materiale de hidroizolație - bitum, pâslă de acoperiș sau pâslă de acoperiș.
Udarea hainelor în timpul ploii, de exemplu, pantalonii până la genunchi de la mersul prin bălți, se datorează și fenomenelor capilare. Există multe exemple ale acestui fenomen natural în jurul nostru.
Experimentați cu flori
Exemple de fenomene capilare pot fi găsite în natură, mai ales când vine vorba de plante. Trunchiurile lor au multe vase mici în interior. Puteți experimenta pictarea unei flori într-o culoare strălucitoare ca urmare a fenomenelor capilare.
Trebuie să luați apă viu colorată și o floare albă (sau o frunză de varză chinezească, o tulpină de țelină) și să o puneți într-un pahar cu acest lichid. După ceva timp, puteți observa cum vopseaua se mișcă în sus pe frunzele de varză chinezească. Culoarea plantei se va schimba treptat în funcție de vopseaua în care este plasată. Acest lucru se datorează mișcării substanței în sus pe tulpini, conform legilor pe care le-am discutat în acest articol.