Подготвено от: Б. Хорватова
На интерфейса между твърдо вещество и течност има две ситуации. Течността навлажнява стените на контейнера, наблюдаваме кривината на повърхностния слой по стените на контейнера нагоре. Течността не мокри стените на контейнера, наблюдаваме кривината на повърхностния слой надолу.
Изкривяването на свободната повърхност на течността при стените на съда в тесни тръби, капиляри и мехурчета води до получените сили на повърхността да са ненулеви сили, които действат перпендикулярно на повърхността на течността.
Тази сила предизвиква капилярно налягане . Ако повърхността на течността има сферична форма, капилярното налягане се определя от: pk = 2 / R, където е повърхностното напрежение и R радиус на сферичната повърхност.
Капилярното налягане зависи обратно в зависимост от радиуса на сферичната повърхност. С тънък сферичен сапунен мехур с радиус R, капилярното налягане вътре в балончето е равно на pk = 4 / R, защото балонът има две повърхности.
Когато потопим тясна стъклена тръба в голям съд с вода, можем да забележим, че в капиляра водата се издига до определена височина h над свободното ниво на водата в големия съд. Това повишаване на нивото се нарича капилярна кота . Така се държат всички течности, които намокрят стените на контейнера.
Ако извършим подобен експеримент с живак, нивото на свободен живак в капиляра е по-ниско от нивото на свободен живак в широкия съд. Такова намаляване на свободното ниво на живак в капиляра се казва капилярна депресия . Капилярна депресия може да се наблюдава с течности, които не мокрят стените на контейнера.
От гледна точка на молекулярната физика можем да обясним капилярността на примера на капилярно издигане на течност с повърхностно напрежение. Предполагаме, че течността перфектно овлажнява стените на контейнера в капиляра с радиус R, за да образува куха повърхност, която има формата на полукълбо с радиус R. Кухата повърхност на течността в капиляра действа върху течността със сила навън от течността, срещу хидростатична сила. Свободната повърхност се стабилизира на височина h, където споменатите сили са в равновесие.
Следното се отнася за величината на силата, действаща по цялата вътрешна обиколка на капиляра: Ft = .2 R
Следното се отнася за величината на хидростатичната сила: Fh = p.S = h.q.g. R 2
Влагаме силите в равенство и изразяваме h:
.2 R = h.q.g. R2 /: R
h = 2 / (q.g.R)
Увеличението на свободното ниво в капиляра спрямо нивото на свободната повърхност във външния съд чрез кота е обратно пропорционално на радиуса на капиляра. За определен капилярен радиус височината h е толкова по-голяма, колкото по-голямо е повърхностното напрежение на течността.
Същите съображения важат и за капилярната депресия.
Капилярното издигане може да се наблюдава върху фитила на свещ, върху влажна стена. Срещаме го и в природата, например водата се издига през растителните капиляри.
Водата се издига от дълбините в повърхностните слоеве на почвата и се изпарява. За да се предотврати прекомерното изпаряване на водата от почвата, капилярите се разграждат в повърхностния слой. Например чрез търкаляне се образуват капиляри, което позволява на водата да се издига на повърхността.
1.) Определено капилярното налягане вътре в сапунения мехур с диаметър 2 см. Повърхностното напрежение на сапунен разтвор във вода в контакт с въздух е 40 mN.m -1 .
Pk =?; R = 1 cm = 0,01 m; = 40 mN.m -1 = 0.04 N.m -1;
В разтвора използваме съотношението за капилярно налягане вътре в сапунения мехур: pk = 4/R
След числово заместване: pk = (4.0.04)/0.01 Pa = 16 Pa
Капилярното налягане вътре в сапунения мехур е 16 Pa.
2.) Определете масата на водата, която излиза в капиляр с вътрешен диаметър 0,5 mm при температура 20 ° C. Повърхностното напрежение на водата е 73 mN. m -1, гравитационното ускорение е 9.81m.s -2 .
m =? d = 0,5 mm; R = 0,25 mm = 0,00025 m; g = 9,81 m.s-2; = 0,073 N.m -1
Масата на водата може да се изчисли, като се използва отношението: m = .V
Знаем плътността на водата от 1000 kg/m 3, но все пак трябва да изчислим обема.
Обемът на водата е равен на обема на цилиндъра с височината на дадената колона с течност: V = S.h = R 2 .h
Все още трябва да изчислим височината, до която се издига водата в капиляра: h = 2/(q.g.R) = (2.0.073)/(1000.9.81.0.00025) m = 0.0595 m
Заместете в отношението за обем: V = .0.00025 2 .0.0595 m 3 = 1.1677.10 -8 m 3
Заместваме само в съотношението за тегло: m = 1000,1,1677,10 -8 kg = 1,17,10 -5 kg
Масата на водата, напускаща капиляра, е 1,17. 10 -5 кг.
1) Определете кога се появява капилярно издигане и капилярна депресия?
2) Какви сили са в равновесие, когато колоната на течността в капиляра се стабилизира?
3) Капилярът има вътрешен диаметър 0,2 mm. Изчислете колко високо се повишава бензолът с плътност 870 kg/m 3, повърхностно напрежение 29,1 mN.m -1 в капиляра .