kapiliariniai reiškiniai. Kas yra kapiliariniai reiškiniai ir kaip jie paaiškinami? Kas yra kapiliarumo reiškinys

Ar tikrai suprantate, kaip veikia įprastas rankšluostis? Arba kodėl klijai prilimpa prie paviršių? Arba kodėl dega žvakė? Kodėl daug veiksmingiau plauti rankas su muilu nei be muilo? Į visus šiuos klausimus bus atsakyta šioje pamokoje. Nes visi jie vienaip ar kitaip yra susiję su paviršių drėkinimu ir kapiliariniais reiškiniais.

2. Žinodami vandens paviršiaus įtempimo koeficientą ir jo tankį, nustatykite įprastos medicininės pipetės skersmenį iš vandens stulpelio, kylančio per pipetę be guminio dangtelio, aukščio.

3. Apsvarstykite šiuos klausimus ir atsakymus į juos:

Klausimų ir atsakymų sąrašas

Klausimas: Kaip kapiliarinis efektas priklauso nuo vamzdelio ilgio?

Atsakymas: Kapiliarinis efektas nepriklauso nuo vamzdelio ilgio. Pažiūrėkite į formulę, kaip nustatyti skysčio aukštį vamzdelyje. Į šią formulę neįeina vamzdžio ilgis.

Klausimas: Kuo skiriasi drėkinimo procesas Žemėje ir erdvėlaivyje?

Atsakymas: Nieko, nes drėkinimo procesas vyksta dėl skysčių molekulių sąveikos jėgų ir jos nepriklauso nuo svorio buvimo ar nebuvimo.

Klausimas: Kaip dar galima eksperimentiškai stebėti kapiliarinius reiškinius?

Atsakymas: Paimkite batų raištelį ir vieną jo galą pamerkite į stiklinę vandens. Po kurio laiko per plonus nėrinių pluoštus pakils vanduo, o visas nėrinys bus šlapias.

Klausimas: Kodėl negalite sukurti „amžinojo judesio mašinos“, kuri veiktų kapiliariniame efekte?

Atsakymas: Iš tiesų, atrodo, kad ant kapiliarinio efekto galima sukurti amžinąjį variklį, jei imsime vamzdį, kurio aukštis mažesnis už skysčio kolonėlės aukštį. Tačiau lašelis iš vamzdžio viršaus juo nenutekės, nes jį laikys tos pačios paviršiaus įtempimo jėgos, kurios jį pakėlė. Todėl toks „amžinas variklis“ neveiks.

Klausimas: Kaip lašas elgsis kintamo storio kapiliare?

Atsakymas: Jei skystis sudrėkins kapiliarą, jis judės kapiliaro storio mažėjimo kryptimi, o jei skystis nesudrėkins kapiliaro, tai judės kapiliaro storio didėjimo kryptimi. (Išsamų pagrindimą žr. I.M. Gelfgat, L.E. Gendenshtein, L.A. Kirik. 1001 fizikos uždaviniai su instrukcijomis ir sprendimais, 10.40 uždavinys)

Tarp procesų, kuriuos galima paaiškinti paviršiaus įtempimo ir skysčių drėkinimo pagalba, verta išskirti kapiliarinius reiškinius. Fizika yra paslaptingas ir nepaprastas mokslas, be kurio gyvybė Žemėje būtų neįmanoma. Pažvelkime į ryškiausią šios svarbios disciplinos pavyzdį.

Gyvenimo praktikoje tokie procesai, įdomūs fizikos požiūriu, kaip kapiliariniai reiškiniai, yra gana dažni. Reikalas tas, kad kasdieniame gyvenime mus supa daugybė kūnų, kurie lengvai sugeria skystį. To priežastis – porėta jų struktūra ir elementarūs fizikos dėsniai, o rezultatas – kapiliariniai reiškiniai.

Siauri vamzdeliai

Kapiliaras yra labai siauras vamzdelis, kuriame skystis elgiasi tam tikru būdu. Gamtoje yra daug tokių indų pavyzdžių – kraujotakos sistemos kapiliarai, porėti kūnai, dirvožemis, augalai ir kt.

Kapiliarinis reiškinys yra skysčių pakilimas arba kritimas siaurais vamzdeliais. Tokie procesai stebimi natūraliuose žmonių, augalų ir kitų kūnų kanaluose, taip pat specialiuose siauruose stikliniuose induose. Nuotraukoje matyti, kad skirtingo storio susisiekiančiuose vamzdžiuose buvo nustatyti skirtingi vandens lygiai. Pažymima, kad kuo plonesnis indas, tuo aukštesnis vandens lygis.

Šie reiškiniai yra rankšluosčio sugeriamųjų savybių, augalų mitybos, rašalo judėjimo išilgai lazdele ir daugelio kitų procesų pagrindas.

Kapiliariniai reiškiniai gamtoje

Aukščiau aprašytas procesas yra nepaprastai svarbus augalų gyvybei palaikyti. Dirvožemis gana purus, tarp jo dalelių, kurios yra kapiliarinis tinklas, yra tarpų. Šiais kanalais kyla vanduo, pamaitindamas augalų šaknų sistemą drėgme ir visomis reikalingomis medžiagomis.

Per tuos pačius kapiliarus skystis aktyviai išgaruoja, todėl reikia suarti žemę, kuri ardys kanalus ir išlaikys maisto medžiagas. Ir atvirkščiai, suspausta žemė greičiau išgarins drėgmę. Taip yra dėl to, kad svarbu arti žemę, kad sulaikytų podirvio skystį.

Augaluose kapiliarinė sistema užtikrina drėgmės kilimą iš mažų šaknų į viršutines dalis, o per lapus ji išgaruoja į išorinę aplinką.

Paviršiaus įtempimas ir drėkinimas

Skysčių elgsenos induose klausimas yra pagrįstas tokiais fiziniais procesais kaip paviršiaus įtempimas ir drėkinimas. Jų sukeliami kapiliariniai reiškiniai tiriami komplekse.

Veikiant paviršiaus įtempimo jėgai, kapiliaruose esantis drėkinamasis skystis viršija lygį, kuriame jis turėtų būti pagal susisiekiančių indų dėsnį. Ir atvirkščiai, nešlapianti medžiaga yra žemiau šio lygio.

Taigi, vanduo stikliniame vamzdyje (drėkinimo skystis) pakyla į didesnį aukštį, tuo plonesnis indas. Atvirkščiai, gyvsidabris stikliniame vamzdelyje (nesudrėkantis skystis) krenta kuo žemiau, tuo plonesnis šis indas. Be to, kaip parodyta paveikslėlyje, drėkinantis skystis sudaro įgaubtą menisko formą, o nedrėkinantis skystis – išgaubtą.

drėkinimas

Tai reiškinys, atsirandantis ties riba, kai skystis liečiasi su kieta medžiaga (kitu skysčiu, dujomis). Jis atsiranda dėl ypatingos molekulių sąveikos jų sąlyčio ribose.

Visiškas drėkinimas reiškia, kad lašas pasklinda per kietosios medžiagos paviršių, o nesudrėkimas paverčia jį sfera. Praktikoje dažniausiai susiduriama su vienokiu ar kitokiu drėkinimo laipsniu, o ne ekstremaliais variantais.

Paviršiaus įtempimo jėga

Lašo paviršius yra sferinės formos ir to priežastis yra skysčius veikiantis dėsnis – paviršiaus įtempimas.

Kapiliariniai reiškiniai atsiranda dėl to, kad įgaubta skysčio pusė vamzdyje dėl paviršiaus įtempimo jėgų linkusi ištiesinti į plokščią būseną. Tai lydi tai, kad išorinės dalelės tempia po jais esančius kūnus į viršų, o medžiaga kyla vamzdeliu aukštyn. Tačiau kapiliare esantis skystis negali įgyti plokščios paviršiaus formos, ir šis kilimo procesas tęsiasi iki tam tikro pusiausvyros taško. Norėdami apskaičiuoti aukštį, iki kurio pakils (nukris) vandens stulpelis, turite naudoti formules, kurios bus pateiktos žemiau.

Vandens stulpelio pakilimo aukščio apskaičiavimas

Vandens kilimo siaurame vamzdelyje stabdymo momentas atsiranda tada, kai gravitacijos jėga Р medžiagos svoris subalansuoja paviršiaus įtempimo jėgą F. Šis momentas lemia skysčio pakilimo aukštį. Kapiliarinius reiškinius sukelia dvi daugiakryptės jėgos:

• gravitacijos jėga P gijos priverčia skystį nugrimzti žemyn;
• paviršiaus įtempimas F stumia vandenį aukštyn.

Paviršiaus įtempimo jėga, veikianti išilgai apskritimo, kur skystis liečiasi su vamzdžio sienelėmis, yra lygi:

kur r yra vamzdžio spindulys.

Skystį vamzdyje veikianti gravitacijos jėga yra tokia:

P grandinė = ρπr2hg,

čia ρ – skysčio tankis; h – skysčio kolonėlės vamzdyje aukštis;

Taigi medžiaga nustos kilti, su sąlyga, kad P sunkus \u003d F, o tai reiškia

ρπr 2 hg = σ2πr,

taigi skysčio aukštis vamzdyje yra:

Panašiai ir nešlapiančiam skysčiui:

h – medžiagos kritimo vamzdyje aukštis. Kaip matyti iš formulių, aukštis, iki kurio siaurame inde pakyla (krenta) vanduo, yra atvirkščiai proporcingas indo spinduliui ir skysčio tankiui. Tai taikoma drėkinamam skysčiui ir nešlapiančiam. Esant kitoms sąlygoms, reikia atlikti menisko formos korekciją, kuri bus pateikta kitame skyriuje.

Laplaso slėgis

Kaip jau minėta, skystis siauruose vamzdeliuose elgiasi taip, kad susidaro įspūdis, kad jis pažeidžia indų susisiekimo įstatymą. Šis faktas visada lydi kapiliarinius reiškinius. Fizika tai paaiškina laplaciano slėgio pagalba, kuris drėkinančiu skysčiu nukreipiamas į viršų. Nuleisdami į vandenį labai siaurą vamzdelį, stebime, kaip skystis pritraukiamas iki tam tikro lygio h. Pagal susisiekimo laivų dėsnį jis turėjo balansuoti su išoriniu vandens lygiu.

Šis neatitikimas paaiškinamas Laplaso slėgio p l kryptimi:

Šiuo atveju jis nukreiptas į viršų. Vanduo įtraukiamas į vamzdį iki tokio lygio, kuriame jis susibalansuoja su vandens stulpelio hidrostatiniu slėgiu p g:

ir jei p l \u003d p g, tada galite sulyginti dvi lygties dalis:

Dabar aukštį h lengva išvesti kaip formulę:

Kai sudrėkinimas baigiamas, meniskas, sudarantis įgaubtą vandens paviršių, yra pusrutulio formos, kur Ɵ=0. Šiuo atveju sferos R spindulys bus lygus vidiniam kapiliaro spinduliui r. Iš čia gauname:

O nepilno drėkinimo atveju, kai Ɵ≠0, rutulio spindulį galima apskaičiuoti pagal formulę:

Tada reikalingas aukštis, pakoregavus kampą, bus lygus:

h=(2σ/pqr)cos Ɵ .

Iš pateiktų lygčių matyti, kad aukštis h yra atvirkščiai proporcingas vamzdžio r vidiniam spinduliui. Didžiausią aukštį vanduo pasiekia žmogaus plauko skersmens induose, kurie vadinami kapiliarais. Kaip žinote, drėkinamasis skystis ištraukiamas, o nedrėkinantis skystis nustumiamas žemyn.

Eksperimentą galima atlikti imant susisiekiančius indus, kur vienas jų platus, o kitas labai siauras. Pilant į jį vandenį, galima pastebėti skirtingą skysčio lygį, o variante su drėkinančia medžiaga lygis siaurame vamzdyje yra aukštesnis, o nedrėkinančiame - žemesnis.

Kapiliarinių reiškinių svarba

Be kapiliarinių reiškinių gyvų organizmų egzistavimas tiesiog neįmanomas. Per mažiausius indus žmogaus kūnas gauna deguonį ir maistines medžiagas. Augalų šaknys yra kapiliarų tinklas, kuris sutraukia drėgmę nuo žemės iki viršutinių lapų.

Paprastas buitinis valymas neįmanomas be kapiliarinių reiškinių, nes pagal šį principą audinys sugeria vandenį. Šiuo pagrindu veikia rankšluostis, rašalas, dagtis alyvos lempoje ir daugelis prietaisų. Kapiliariniai reiškiniai technologijose vaidina svarbų vaidmenį poringų kūnų džiūvimo ir kitų procesų metu.

Kartais tie patys reiškiniai sukelia nepageidaujamų pasekmių, pavyzdžiui, plytos poros sugeria drėgmę. Kad pastatai nesudrėktų, veikiami gruntinio vandens, pamatus būtina apsaugoti hidroizoliacinių medžiagų – bitumo, stogo dangos ar stogo dangos – pagalba.

Drabužių sušlapimas per lietų, pavyzdžiui, kelnės iki kelių, vaikščiojant per balas, taip pat yra dėl kapiliarinių reiškinių. Aplink mus yra daugybė šio gamtos reiškinio pavyzdžių.

Eksperimentuokite su spalvomis

Kapiliarinių reiškinių pavyzdžių galima rasti gamtoje, ypač kalbant apie augalus. Jų kamienuose yra daug mažų indų. Galite eksperimentuoti spalvindami gėlę bet kokia ryškia spalva dėl kapiliarinių reiškinių.

Reikia paimti ryškiaspalvį vandenį ir baltą gėlę (arba Pekino kopūsto lapą, saliero stiebelį) ir įdėti į stiklinę su šiuo skysčiu. Po kurio laiko ant Pekino kopūstų lapų galite stebėti, kaip dažai juda aukštyn. Augalo spalva palaipsniui keisis priklausomai nuo dažų, į kuriuos jis dedamas. Taip yra dėl to, kad medžiaga juda aukštyn stiebais pagal įstatymus, kuriuos aptarėme šiame straipsnyje.

kapiliarumas (iš lot. Capillaris - plaukai) yra fizinis reiškinys, susidedantis iš skysčių gebėjimo keisti lygį vamzdeliuose, siauruose savavališkos formos kanaluose, porėtuose kūnuose. Skysčio pakyla, kai kanalai yra sudrėkinti skysčiais, pavyzdžiui, vandeniu stikliniuose vamzdeliuose, smėliu, žeme ir pan. Skysčio kiekis sumažėja vamzdeliuose ir kanaluose, kurių nesudrėkina skystis, pavyzdžiui, gyvsidabris stiklinis vamzdis. Kapiliarumo pagrindu grindžiama gyvybinė gyvūnų ir augalų veikla, cheminės technologijos, kasdieniai reiškiniai (pvz., žibalo kilimas išilgai dagčio žibalinėje lempoje, rankų šluostymas rankšluosčiu). Dirvožemio kapiliarumas nustatomas pagal vandens kilimo dirvožemyje greitį ir priklauso nuo tarpų tarp dirvožemio dalelių dydžio. Kapiliarai vadinami plonais vamzdeliais, taip pat ploniausiais žmonių ir kitų gyvūnų kūno indais.

Skystojo menisko kreivumas ypač gerai stebimas plonuose vamzdeliuose, vadinamuose kapiliarai. Jei kapiliaras nuleidžiamas į indą su skysčiu, kurio sieneles skystis sudrėkina, tada skystis per kapiliarą pakyla iki tam tikro aukščio. h(50.1 pav.). Taip yra dėl to, kad skysčio paviršiaus kreivumas sukelia papildomą molekulinį slėgį. Jei paviršius yra išgaubtas ir sferinės formos, tada papildomas slėgis bus

50.1 pav

Išgaubto menisko atveju (r > 0) bendras slėgis yra didesnis už atmosferos slėgį ir skystis leidžiasi žemyn per kapiliarą. Jei meniskas yra įdubęs (r< 0), суммарное давление меньше атмосферного и жидкость поднимается по капилляру. Жидкость поднимается (или опускается) до тех пор, пока гидростатическое давление р = ρqh столба жидкости высотой h не компенсирует добавочное (Лапласовское) давление р л. (Лаплас установил зависимость этого давления от формы мениска.) В этом случае

čia ρ yra skysčio tankis; g – laisvojo kritimo pagreitis, r – kapiliaro spindulys, R – menisko kreivio spindulys.

Skysčio kėlimo aukštis (nuleidimo gylis) kapiliare:

.

§ 51. Kapiliarumo reiškinys kasdieniame gyvenime, gamtoje ir technikoje

Kapiliarumo reiškinys kasdieniame gyvenime vaidina didžiulį vaidmenį įvairiuose gamtoje vykstančiuose procesuose. Pavyzdžiui, drėgmė iš dirvožemio prasiskverbia į augalus, stiebus ir lapus dėl kapiliarumo. Augalų ląstelės formuoja kapiliarinius kanalus, ir kuo mažesnis kapiliaro spindulys, tuo aukščiau išilgai jo kyla skystis. Kraujo apytakos procesas taip pat yra susijęs su kapiliarumu. Kraujagyslės yra kapiliarai.

Ypatingą reikšmę turi dirvožemio kapiliarumas. Per mažiausius indus į dirvos paviršių susimaišo drėgmė iš gelmių. Jei norima sumažinti drėgmės išgaravimą, tada dirva purenama, sunaikinant kapiliarus. Siekiant padidinti drėgmės antplūdį iš gylio, dirva voluojama, didinant kapiliarinių kanalų skaičių. Technologijoje kapiliariniai reiškiniai turi didelę reikšmę džiovinimo procesuose ir statybose.

§ 52. Slėgis po lenktu skysčio paviršiumi

Sferinis išgaubtas paviršius daro papildomą slėgį skysčiui, kurį sukelia vidinės įtempimo jėgos, nukreiptos į skysčio vidų, ,R yra rutulio spindulys. Jei skysčio paviršius yra įgaubtas, susidaranti paviršiaus įtempimo jėga nukreipiama iš skysčio, o slėgis skysčio viduje yra .

Perteklinis slėgis spindulio muilo burbulo viduje R sukeltas abiejų plonos sferinės muilo plėvelės paviršinių sluoksnių veikimo:

52.1 pav

Bendruoju atveju viršslėgis savavališkam skysčio paviršiui apibūdinamas Laplaso formule:

, (52.1)

čia u yra bet kurių dviejų viena kitai statmenų skysčio paviršiaus atkarpų kreivio spindulys tam tikrame taške.

Kreivio spinduliai yra teigiami, jei atitinkamos sekcijos kreivio centras yra skysčio viduje, ir neigiamas, jei kreivio centras yra skysčio išorėje.

Pakeiskite lygį vamzdeliuose, siauruose savavališkos formos kanaluose, porėtuose korpusuose. Skysčio pakyla, kai kanalai yra sudrėkinti skysčiais, pavyzdžiui, vandeniu stikliniuose vamzdeliuose, smėliu, žeme ir pan. Skysčio kiekis sumažėja vamzdeliuose ir kanaluose, kurių nesudrėkina skystis, pavyzdžiui, gyvsidabris stiklinis vamzdelis.

Kapiliarumo pagrindu grindžiama gyvybinė gyvūnų ir augalų veikla, cheminės technologijos, kasdieniai reiškiniai (pvz., žibalo kėlimas išilgai dagčio žibalinėje lempoje, rankų šluostymas rankšluosčiu). Dirvožemio kapiliarumas nustatomas pagal vandens kilimo dirvožemyje greitį ir priklauso nuo tarpų tarp dirvožemio dalelių dydžio.

Ploni vamzdeliai vadinami kapiliarais, taip pat ploniausi žmogaus ir kitų gyvūnų kūno indai (žr. Kapiliaras (biologija)).

taip pat žr

Literatūra

• Prokhorenko P. P. Ultragarsinis kapiliarinis efektas / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunovas, G. E. Konovalov; Red. V. V. Klubovičius. 135 p. Minskas: Mokslas ir technologijos, 1981 m.

Nuorodos

• Gorin Yu. V. Fizinių poveikių ir reiškinių rodyklė, naudojama sprendžiant išradimo problemas (TRIZ įrankis) // Skyrius. 1.2 Skysčių paviršiaus įtempis. Kapiliarumas.

Wikimedia fondas. 2010 m.

Pažiūrėkite, kas yra „Capillar (physics)“ kituose žodynuose:

Žodis kapiliaras vartojamas kalbant apie labai siaurus vamzdelius, pro kuriuos gali praeiti skystis. Daugiau informacijos rasite straipsnyje Kapiliarinis efektas. Kapiliaras (biologija) Mažiausias kraujagyslės tipas. Kapiliaras (fizika) Kapiliaras ... ... Vikipedija

Landau supertakumo kriterijus – sistemos elementariųjų sužadinimų (fononų) energijų ir momentų santykis, nulemiantis jos buvimo superskysčioje būsenoje galimybę. Turinys 1 2 kriterijaus formulavimas Kriterijaus išvedimas ... Vikipedija

Komercinės šaldymo įrangos išorinės padalinimo sistemos ir kondensatoriai (ventiliatorių aušinimo bokštai) ant vieno stovo Klimato ir šaldymo įrangos įranga, pagrįsta šaldymo mašinų veikimu ... Wikipedia

Dujų temperatūros pokytis dėl lėto jų srauto, veikiant nuolatiniam slėgio kritimui per droselį, yra vietinė kliūtis dujų srautui (kapiliaras, vožtuvas ar porėta pertvara, esanti vamzdyje ... .. .

Tai bespalvis skaidrus skystis, verdantis atmosferos slėgyje 4,2 K temperatūroje (skystis 4He). Skysto helio tankis 4,2 K temperatūroje yra 0,13 g/cm³. Dėl ... ... Vikipedijos jis turi mažą lūžio rodiklį

Snapelio efektas, slėgio skirtumo Δp atsiradimas superskystame skystyje dėl temperatūrų skirtumo ΔT (žr. Superskystį). T. e. pasireiškia skystu superskystu heliu skysčių lygių skirtumu dviejuose induose, ... ... Didžioji sovietinė enciklopedija

Kiekvienas iš mūsų gali lengvai prisiminti daugybę medžiagų, kurias jis laiko skysčiais. Tačiau nėra taip lengva tiksliai apibrėžti šią materijos būseną, nes skysčiai turi tokias fizines savybes, kad kai kuriais atžvilgiais jie ... ... Collier enciklopedija

Kapiliarumas (iš lot. capillaris hair), kapiliarinis efektas yra fizinis reiškinys, susidedantis iš skysčių gebėjimo keisti lygį vamzdeliuose, siauruose savavališkos formos kanaluose, porėtuose kūnuose. Skysčio padidėjimas atsiranda tais atvejais, kai ... ... Vikipedija

SM "Licėjus Nr. 43"

(natūralus-techninis)

KAPILIARINIAI REIKŠINIAI
Rožkovas Dmitrijus

Saranskas

Literatūros apžvalga 3

Skysčių savybės. Paviršiaus įtempimas 3

Plato patirtis 6

Drėkimo ir nesušlapimo reiškiniai. Krašto kampas. 7

Kapiliariniai reiškiniai gamtoje ir technikoje 8

Kraujagyslės 10

Putos žmogaus tarnyboje 11

11 praktinė dalis

„Įvairių poringo popieriaus pavyzdžių kapiliarinių savybių tyrimas“ 11

Išvados ir išvados 13

Literatūra 13

Literatūros apžvalga

Kapiliariniai reiškiniai yra fiziniai reiškiniai, atsirandantys dėl paviršiaus įtempimo nesimaišančių terpių sąsajoje. Tokiems reiškiniams dažniausiai priskiriami reiškiniai skystose terpėse, atsirandantys dėl jų paviršiaus kreivumo, besiribojančio su kitu skysčiu, dujomis ar savo garais.

Kapiliariniai reiškiniai apima įvairius skysčio paviršiaus pusiausvyros ir judėjimo atvejus, veikiant tarpmolekulinės sąveikos jėgoms ir išorinėms jėgoms (pirmiausia gravitacijai). Paprasčiausiu atveju, kai nėra išorinių jėgų arba jos kompensuojamos, skysčio paviršius visada yra išlenktas. Taigi nesvarumo sąlygomis ribotas skysčio tūris, kuris nesiliečia su kitais kūnais, įgauna rutulio formą, veikiant paviršiaus įtempimui. Ši forma atitinka stabilią skysčio pusiausvyrą, nes rutulys turi minimalų paviršiaus plotą tam tikram tūriui, todėl skysčio paviršiaus energija šiuo atveju yra minimali. Skystis įgauna rutulio formą, net jei jis yra kitame vienodo tankio skystyje (gravitacijos poveikį kompensuoja Archimedo plūduriavimo jėga).

Sistemų, susidedančių iš daugybės mažų lašelių ar burbuliukų (emulsijų, skystų aerozolių, putų) savybes ir jų susidarymo sąlygas daugiausia lemia dalelių paviršiaus kreivumas, tai yra kapiliariniai reiškiniai. Formuojantis naujai fazei ne mažiau svarbų vaidmenį atlieka kapiliariniai reiškiniai: skysčio lašeliai garų kondensacijos metu, garų burbuliukai skysčiui verdant ir kietosios fazės branduoliai kristalizacijos metu.

Kai skystis liečiasi su kietosiomis medžiagomis, jo paviršiaus formai didelę įtaką daro drėkinimo reiškiniai, atsirandantys dėl skysčio ir kietųjų molekulių sąveikos.

Kapiliarinė absorbcija atlieka esminį vaidmenį augalų aprūpinimo vandeniu, drėgmės judėjimu dirvožemyje ir kituose poringuose kūnuose. Įvairių medžiagų kapiliarinis impregnavimas plačiai naudojamas chemijos inžinerijos procesuose.

Laisvo skysčio paviršiaus kreivumas, veikiamas išorinių jėgų, sukelia vadinamąsias kapiliarines bangas (skysčio paviršiuje „raibuliuoja“). Kapiliariniai reiškiniai judant skysčių sąsajoms nagrinėjami fizikine ir chemine hidrodinamika.

Pirmieji kapiliarų reiškinius atrado ir ištyrė Leonardo da Vinci, B. Pascalis (XVII a.) ir J. Žurenas (Dzhurinas, XVIII a.), atlikdami eksperimentus su kapiliariniais vamzdeliais. Kapiliarinių reiškinių teorija buvo išplėtota P. Laplaso (1806), T. Youngo (Young, 1805), J.W.Gibbso (1875) ir I.S. Gromeki (1879, 1886).

Skysčių savybės. Paviršiaus įtempimas

Skystos būsenos medžiagos molekulės yra beveik arti viena kitos. Skirtingai nuo kietų kristalinių kūnų, kuriuose molekulės sudaro tvarkingas struktūras visame kristalo tūryje ir gali atlikti šiluminius virpesius aplink fiksuotus centrus, skystos molekulės turi didesnę laisvę. Kiekviena skysčio molekulė, taip pat ir kietame kūne, iš visų pusių yra „suspausta“ gretimų molekulių ir atlieka šilumines vibracijas aplink tam tikrą pusiausvyros padėtį. Tačiau laikas nuo laiko bet kuri molekulė gali persikelti į gretimą laisvą vietą. Tokie šuoliai skysčiuose pasitaiko gana dažnai; todėl molekulės nėra prijungtos prie tam tikrų centrų, kaip kristaluose, ir gali judėti per visą skysčio tūrį. Tai paaiškina skysčių sklandumą. Dėl stiprios sąveikos tarp glaudžiai išdėstytų molekulių jos gali sudaryti vietines (nestabilias) tvarkingas grupes, turinčias kelias molekules. Šis reiškinys vadinamas trumpojo nuotolio tvarka (1 pav.).

Dėl tankios molekulių pakuotės skysčių suspaudžiamumas, t.y., tūrio pokytis keičiantis slėgiui, yra labai mažas; jis yra dešimtis ir šimtus tūkstančių kartų mažesnis nei dujose.

Skysčiai, kaip ir kietos medžiagos, keičia savo tūrį keičiantis temperatūrai. Nelabai dideliems temperatūros intervalams santykinis tūrio pokytis ΔV / V 0 yra proporcingas temperatūros pokyčiui ΔT:

Koeficientas β vadinamas tūrio plėtimosi temperatūros koeficientu. Vandens šiluminis plėtimasis turi įdomią ir svarbią gyvybei Žemėje anomaliją. Esant žemesnei nei 4°C temperatūrai, vanduo plečiasi. Didžiausias tankis ρ in = 10 3 kg / m 3 vandens, kurio temperatūra yra 4 ° C.

Užšalęs vanduo plečiasi, todėl ledas lieka plūduriuoti užšąlančio vandens telkinio paviršiuje. Po ledu užšąlančio vandens temperatūra yra 0°C. Tankesniuose vandens sluoksniuose, netoli rezervuaro dugno, temperatūra siekia apie 4 °C. Dėl šios priežasties užšąlančių rezervuarų vandenyje gali egzistuoti gyvybė.

Įdomiausia skysčių savybė yra laisvo paviršiaus buvimas. Skystis, skirtingai nei dujos, neužpildo viso indo, į kurį pilamas, tūrio. Tarp skysčio ir dujų (arba garų) susidaro sąsaja, kuri yra ypatingomis sąlygomis, palyginti su likusia skysčio mase. Skysčio ribiniame sluoksnyje esančios molekulės, priešingai nei jo gylyje esančios molekulės, nėra apsuptos kitų to paties skysčio molekulių iš visų pusių. Tarpmolekulinės sąveikos jėgos, veikiančios vieną iš skysčio viduje esančių molekulių iš gretimų molekulių, yra vidutiniškai kompensuojamos. Bet kurią ribinio sluoksnio molekulę traukia skysčio viduje esančios molekulės (gali būti nepaisoma jėgos, veikiančios tam tikrą skysčio molekulę iš dujų (arba garų) molekulių). Dėl to atsiranda tam tikra rezultatinė jėga, nukreipta giliai į skystį (2 pav.)

2 pav

Jei molekulė juda nuo paviršiaus į skystį, tarpmolekulinės sąveikos jėgos atliks teigiamą darbą. Priešingai, norint ištraukti tam tikrą molekulių skaičių iš skysčio gylio į paviršių (t. y. padidinti skysčio paviršiaus plotą), reikia išnaudoti teigiamą išorinių jėgų ΔA ext darbą. , proporcingas paviršiaus ploto pokyčiui ΔS:
ΔA išorės = σΔS.
Koeficientas σ vadinamas paviršiaus įtempimo koeficientu (σ > 0). Taigi paviršiaus įtempimo koeficientas yra lygus darbui, kurio reikia norint padidinti skysčio paviršiaus plotą pastovioje temperatūroje vienu vienetu.

SI, paviršiaus įtempimo koeficientas matuojamas džauliais kvadratiniam metrui (J / m 2) arba niutonais vienam metrui (1 N / m \u003d 1 J / m 2).

Vadinasi, skysčio paviršinio sluoksnio molekulės turi perteklinę potencinę energiją, palyginti su skysčio viduje esančiomis molekulėmis. Skysčio paviršiaus potenciali energija E p yra proporcinga jo plotui:
E p = A išorės = σS.
Iš mechanikos žinoma, kad sistemos pusiausvyros būsenos atitinka mažiausią jos potencialios energijos vertę. Iš to išplaukia, kad laisvas skysčio paviršius linkęs mažinti jo plotą. Dėl šios priežasties laisvas skysčio lašas įgauna sferinę formą (3 pav.)
.

3 pav
Skystis elgiasi taip, tarsi jėgos veiktų liestine jo paviršių, sumažindamos (susitraukdamos) šį paviršių. Šios jėgos vadinamos paviršiaus įtempimo jėgomis.

Dėl paviršiaus įtempimo jėgų skysčio paviršius atrodo kaip elastinga ištempta plėvelė, vienintelis skirtumas, kad plėvelės elastingumo jėgos priklauso nuo jos paviršiaus ploto (t. y. nuo plėvelės deformacijos), o paviršiaus įtempimo jėgos priklauso nuo jos paviršiaus ploto. nepriklauso nuo skysčių paviršiaus ploto.

Kadangi bet kuri sistema spontaniškai pereina į būseną, kurioje jos potenciali energija yra minimali, skystis turi spontaniškai pereiti į būseną, kurioje jo laisvo paviršiaus plotas turi mažiausią vertę. Tai galima parodyti naudojant šį eksperimentą.

Ant vielos, išlenktos raidės P pavidalu, sutvirtinamas judamas skersinis (4 pav.). Tokiu būdu gautas rėmas priveržiamas muilo plėvele, nuleidžiant rėmą į muiluotą tirpalą. Nuėmus rėmą iš tirpalo, skersinis juda aukštyn, t.y. molekulinės jėgos iš tikrųjų sumažina laisvą skysčio paviršiaus plotą.

4 pav
Kadangi rutulys turi mažiausią paviršiaus plotą tokiam pačiam tūriui, skystis nesvarumo būsenoje įgauna rutulio formą. Dėl tos pačios priežasties maži skysčio lašeliai yra sferinės formos. Muilo plėvelių forma ant įvairių karkasų visada atitinka mažiausią laisvą skysčio paviršiaus plotą.

Plato patirtis

Natūrali bet kokio skysčio forma yra rutulys. Paprastai gravitacija neleidžia skysčiui įgyti tokios formos, o skystis arba pasklinda plonu sluoksniu, jei nėra indo, arba įgauna indo formą. Būdamas kito tokio pat tankio skysčio viduje, skystis įgauna natūralią, sferinę formą.

5 pav
Alyvuogių aliejus plūduriuoja vandenyje, bet skęsta alkoholyje. Galite paruošti vandens ir alkoholio mišinį, kuriame aliejus bus pusiausvyroje. Į šį mišinį stikliniu vamzdeliu ar švirkštu įlašinkite šiek tiek alyvuogių aliejaus: aliejus susikaups į vieną sferinį lašą, kuris nejudėdamas kabės skystyje. Jei per alyvos rutulio centrą perbraukiate vielą ir ją sukate, alyvos rutulys pradeda plokštėti, o tada po kelių sekundžių nuo jo atsiskiria mažų sferinių alyvos lašelių žiedas. Šį eksperimentą pirmasis atliko belgų fizikas Plateau.

Milžinišku mastu tokį reiškinį galima pastebėti mūsų Saulės žvaigždėje ir milžiniškose planetose. Šie dangaus kūnai labai greitai sukasi aplink savo ašį. Dėl šio sukimosi kūnai labai stipriai suspaudžiami ties poliais.

6 pav

Drėkimo ir nesušlapimo reiškiniai. Krašto kampas.

Drėkimas ir nedrėkimas – kapiliariniai reiškiniai yra plačiai paplitę gamtoje ir technikoje. Jie svarbūs tiek kasdieniame gyvenime, tiek sprendžiant svarbiausias mokslo ir technikos problemas. Žinios šiais klausimais leidžia atsakyti į daugelį klausimų. Pavyzdžiui, kad kapiliariniai reiškiniai leidžia augalijos šaknų sistemai iš dirvožemio pasisavinti maistines medžiagas ir drėgmę, kad gyvų organizmų kraujotaka pagrįsta kapiliariniu reiškiniu, kas yra flotacija ir kur ji buvo pritaikyta, kodėl kai kurios kietosios medžiagos gerai sudrėkintas skysčiu, kiti blogi ir pan.

Jei nuleisite stiklinę lazdelę į gyvsidabrį ir tada išimsite, gyvsidabrio ant jo nebus. Jei ši lazda nuleista į vandenį, tada ištraukus jos gale liks vandens lašas. Ši patirtis rodo, kad gyvsidabrio molekulės viena kitą traukia stipriau nei stiklo molekulės, o vandens molekulės viena kitą traukia mažiau nei stiklo molekules.

Jei skysčio molekulės viena kitą traukia silpniau nei kietosios medžiagos molekulės, tai skystis vadinamas drėkinimasši medžiaga. Pavyzdžiui, vanduo sušlapina švarų stiklą ir nesušlapina parafino. Jei skysčio molekulės viena kitą traukia stipriau nei kietosios medžiagos molekulės, tai skystis vadinamas nešlapiančia šios medžiagos. Gyvsidabris nesušlapina stiklo, bet sušlapina gryną varį ir cinką.

Padėkime horizontaliai plokščią tam tikros kietos medžiagos plokštelę ir ant jos lašinkime bandomąjį skystį. Tada lašas bus arba kaip parodyta 7 pav. A), arba kaip parodyta pav. 7( b).

a) b)

7 pav.
Pirmuoju atveju skystis sudrėkina kietą medžiagą, o antruoju – ne. 5 pav. pažymėtas kampas θ vadinamas kontaktinis kampas. Sąlyčio kampą sudaro lygus kieto kūno paviršius ir plokštuma, liečianti laisvąjį skysčio paviršių, kur ribojasi kietas kūnas, skystis ir dujos; kontaktinio kampo viduje visada yra skysčio. Drėkinančių skysčių kontaktinis kampas yra ūmus, o nešlapiančių – bukas. Kad gravitacijos poveikis neiškraipytų kontaktinio kampo, kritimas turi būti kuo mažesnis.

Kadangi kontaktinis kampas θ išsaugomas vertikalioje kieto paviršiaus padėtyje, indo, į kurį pilamas, kraštuose esantis drėkinamasis skystis pakyla, o nedrėkinantis skystis nukrenta.

Visiškai sudrėkinus, θ = 0, cos θ = 1.

8 pav

Kapiliariniai reiškiniai gamtoje ir technikoje

Skysčio kilimas kapiliare tęsiasi tol, kol skysčio stulpelį kapiliare veikiančios gravitacijos jėgos modulis tampa lygus paviršiaus įtempimo jėgų, veikiančių išilgai skysčio ir kapiliaro paviršiaus sąlyčio ribos, F n: F t = F n, kur F t = mg = ρhπr 2 g, F n = σ2πr cos θ.

Tai reiškia:

Skysčio paviršiaus kreivumas siauruose vamzdeliuose akivaizdžiai pažeidžia indų susisiekimo dėsnį.

Iš formulės matyti, kad aukštis h kuo didesnis, tuo mažesnis vamzdžio vidinis spindulys r. Vandens pakilimas turi didelę reikšmę vamzdeliuose, kurių vidinis skersmuo yra proporcingas plauko skersmeniui (ar net mažesnis); todėl tokie vamzdeliai vadinami kapiliarais (iš graikų „capillaris“ – plaukuoti, ploni). Drėkinamasis skystis kapiliaruose pakyla (9 pav., a), o nešlapis leidžiasi žemyn (9 pav. b).

9 pav


Kapiliariniai reiškiniai gali būti stebimi ne tik vamzdeliuose, bet ir siauruose plyšiuose. Jei nuleisite dvi stiklines plokštes į vandenį taip, kad tarp jų susidarytų siauras tarpas, tada vanduo tarp plokščių pakils ir kuo aukščiau, tuo arčiau jos yra. Kapiliariniai reiškiniai vaidina svarbų vaidmenį gamtoje ir technikoje. Augaluose yra daug mažų kapiliarų. Medžiuose drėgmė iš dirvožemio kapiliarais kyla į medžių viršūnes, kur per lapus išgaruoja į atmosferą. Dirvožemyje yra kapiliarų, kurie siauresni, tuo tankesnis dirvožemis. Vanduo per šiuos kapiliarus kyla į paviršių ir greitai išgaruoja, o žemė išdžiūsta. Ankstyvas pavasarinis arimas naikina kapiliarus, t.y., sulaiko podirvio drėgmę ir padidina derlių.

Technologijoje didelę reikšmę turi kapiliariniai reiškiniai, pavyzdžiui, kapiliarinių poringų kūnų džiovinimo procesuose ir kt. Kapiliariniai reiškiniai turi didelę reikšmę statybų versle. Pavyzdžiui, kad mūrinė siena nesudrėktų, tarp namo pamato ir sienos padaroma tarpinė iš medžiagos, kurioje nėra kapiliarų. Popieriaus pramonėje gaminant skirtingų rūšių popierių reikia atsižvelgti į kapiliarumą. Pavyzdžiui, gaminant rašomąjį popierių, jis impregnuojamas specialiu junginiu, kuris užkemša kapiliarus. Kasdieniame gyvenime kapiliariniai reiškiniai naudojami dagtyse, blotingo popieriuje, rašalui tiekti skirtuose rašikliuose ir kt.

Dauguma augalų ir gyvūnų audinių yra persmelkti didžiuliu kapiliarinių kraujagyslių skaičiumi. Būtent kapiliaruose vyksta pagrindiniai procesai, susiję su kūno kvėpavimu ir mityba, visa sudėtingiausia gyvenimo chemija glaudžiai susijusi su difuzijos reiškiniais. Į medžių kamienus, augalų šakas ir stiebus prasiskverbia daugybė kapiliarinių vamzdelių, per kuriuos maistinės medžiagos pakyla į pačius viršutinius lapus. Augalų šaknų sistema baigiasi ploniausiais siūlais-kapiliarais. O pati dirva, šaknies mitybos šaltinis, gali būti pavaizduota kaip kapiliarinių vamzdelių rinkinys, per kurį, priklausomai nuo struktūros ir apdorojimo, vanduo su jame ištirpusiomis medžiagomis greičiau ar lėčiau kyla į paviršių. Kuo didesnis skysčio pakilimo kapiliaruose aukštis, tuo mažesnis jo skersmuo. Iš to aišku, kad norint išsaugoti drėgmę, dirvą reikia iškasti, o nusausinti – sutankinti.

Paviršiaus reiškinių vaidmuo gamtoje yra įvairus. Pavyzdžiui, paviršinė vandens plėvelė yra atrama daugeliui organizmų judant. Ši judėjimo forma būdinga mažiems vabzdžiams ir voragyviams. Žinomiausi vandens žygeiviai ant vandens remiasi tik galiniais plačiai išdėstytų kojų segmentais. Pėda, padengta vaškine danga, nedrėkinama vandens, paviršinis vandens sluoksnis, spaudžiant pėdai, nukrenta, susidaro nedidelis įdubimas. Kai kurios pajūrio vorų rūšys juda panašiai, tačiau jų kojos yra ne lygiagrečios vandens paviršiui, kaip vandens strideriams, o stačiu kampu į jį.

Kai kurie gyvūnai, gyvenantys vandenyje, bet neturintys žiaunų, yra pakabinami iš apačios į paviršinę vandens plėvelę nedrėkstančių šerių, supančių jų kvėpavimo organus, pagalba. Šią techniką naudoja uodų lervos (taip pat ir maliarijos).

Vandens paukščių plunksnos ir pūkai visada gausiai ištepti specialių liaukų riebalinėmis išskyromis, tai paaiškina jų nepralaidumą. Storas oro sluoksnis, uždarytas tarp ančių plunksnų ir neišstumtas vandens, ne tik apsaugo antį nuo šilumos nuostolių, bet ir labai padidina plūdrumo ribą, veikdamas kaip gelbėjimo diržas.

Vaškinė lapų danga neleidžia užtvindyti vadinamųjų stomatelių, dėl kurių gali būti pažeistas tinkamas augalų kvėpavimas. Tos pačios vaško dangos buvimas paaiškina šiaudinio stogo, šieno kupetos ir kt. atsparumą vandeniui.

Pagrindinis organas, sunaudojantis drėgmę, kuriame nuolat reikalingas vanduo, įskaitant fotosintezę, yra lapas, esantis toli nuo šaknies. Be to, lapą supa oras, kuris dažnai „atima“ iš jo vandenį, kad „pasisotintų“ vandens garais. Iškyla prieštaravimas: lapui nuolat reikia vandens, bet jis visą laiką jo netenka, o šaknyje nuolat yra vandens perteklius, nors ir nesiryžta jo atsikratyti. Šios problemos sprendimas akivaizdus: vandens perteklių reikia išpumpuoti nuo šaknų iki lapų. Tokios vandens tiekimo sistemos vaidmenį perima stiebas. Jis tiekia vandenį į lapus per specialius vamzdelius - kapiliarus. Gaubtasėkliuose jie yra patys tobuliausi ir yra ilgi (paties augalo augime) tuščiaviduriai indai, kurių sienelės išklotos celiulioze ir ligninu. Tokių laidžių indų sistema vadinama ksilemu (iš graikų kalbos ksilonas - medis, medinis blokas).

Jei šaknies ksilemo kraujagyslių spindyje susikaupia mineralinės medžiagos, kurias šaknis pasisavino iš dirvožemio, vanduo osmoso mechanizmu veržiasi į ksilemą iš aplinkinių šaknies ląstelių.

„Vandens siurblio“ mechanizmas susideda iš dviejų osmosinių siurblių ir kraujagyslių sienelių kapiliarinių jėgų.

Kraujagyslės

Visas kūnas yra pradurtas kraujagyslėmis. Jie skiriasi struktūra. Arterijos yra kraujagyslės, pernešančios kraują iš širdies. Jie turi tankias elastines elastines sienas, kuriose yra lygiųjų raumenų. Susitraukdama širdis išstumia aukšto slėgio kraują į arteriją. Dėl arterijos sienelių tankio ir elastingumo atlaiko šį spaudimą ir tempimą.

Didelės arterijos šakojasi toldamos nuo širdies. Mažiausios arterijos skyla į ploniausius kapiliarus. Jų sieneles sudaro vienas plokščių ląstelių sluoksnis. Kraujo plazmoje ištirpusios medžiagos per kapiliarų sieneles patenka į audinių skystį, o iš ten patenka į ląsteles. Ląstelių atliekos prasiskverbia pro kapiliarų sieneles iš audinių skysčio į kraują. Žmogaus kūne yra apie 150 milijardų kapiliarų. Jei visi kapiliarai nubrėžti vienoje linijoje, tai jis gali du su puse karto apjuosti Žemės rutulį išilgai pusiaujo. Kraujas iš kapiliarų kaupiasi venose – kraujagyslėse, kuriomis kraujas juda į širdį. Slėgis venose mažas, jų sienelės plonesnės nei arterijų sienelės.

Putos žmogaus tarnyboje

Ne teorija paskatino pačią flotacijos idėją, o kruopštus atsitiktinio fakto stebėjimas. XIX amžiaus pabaigoje. Amerikietis mokytojas Curry Everson, plaudamas riebius maišelius, kuriuose buvo laikomi vario piritai, atkreipė dėmesį į tai, kad piritų grūdeliai plūduriuoja su muilo putomis. Tai buvo postūmis plėtoti flotacijos metodą. Šis metodas plačiai naudojamas kasybos ir metalurgijos pramonėje rūdai apdoroti, t. padidinti santykinį vertingųjų komponentų kiekį juose. Flotacijos esmė yra tokia. Smulkiai sumalta rūda kraunama į vandens ir aliejinių medžiagų kubilą, kuris naudingo mineralo daleles sugeba aptraukti ploniausia vandens nesudrėkinta plėvele. Mišinys intensyviai maišomas su oru, todėl susidaro daug mažyčių burbuliukų – putų. Tuo pačiu metu naudingo mineralo dalelės, padengtos plona aliejine plėvele, susilietus su oro burbulo apvalkalu, prilimpa prie jo, pakimba ant burbulo ir iškeliauja su juo kaip ant baliono. Uolienų atliekų dalelės, kurių neapgaubia riebi medžiaga, neprilimpa prie apvalkalo ir lieka skystyje. Dėl to beveik visos naudingos mineralinės dalelės skysčio paviršiuje patenka į putas. Putos pašalinamos ir siunčiamos tolimesniam apdorojimui – vadinamajam koncentratui gauti .

Flotacijos technika leidžia, tinkamai parinkus mišrius skysčius, atskirti reikiamą naudingą mineralą nuo bet kokios sudėties atliekų.

Praktinė dalis

„Įvairių poringo popieriaus pavyzdžių kapiliarinių savybių tyrimas“

Darbo tikslas: ištirti įvairių porėto popieriaus pavyzdžių (pavyzdžiui, skirtingų gamintojų popierinių servetėlių) kapiliarines savybes.

Prietaisai ir medžiagos: popieriaus pavyzdžiai, distiliuotas vanduo, liniuotė, vonia.

Vykdymo būdas:

Eksperimentą pakartojau, vandenį pakeičiau pienu.

Pienas 2,5%;

Skaičiuodamas naudoju šias lentelės reikšmes:

 - pieno tankis (1,03x10 3 kg / m 3);

 - paviršiaus įtempimas (pienui prie sienos su oru  = 46x10 -3 N/m)

Išvados ir išvados

1. 
   Atliktų darbų rezultatu buvo gautas objektyvus įvairių gamintojų popierinių servetėlių kokybės įvertinimas.
2. 
   Geriausius rezultatus parodė šių gamintojų pavyzdžiai: LLC Russian Paper ALL Products, Bryansk ir IP Kitaikin A.B. Novošachtinskas, Rostovo sritis
3. 
   Prasčiausios buvo Krasnodaro „New Technologies LLC“ servetėlės, pagamintos parduotuvių tinklui „Magnit“.
4. 
   Geriausias servetėles galima rekomenduoti naudoti licėjaus Nr.43 valgomajame.

Bibliografinis sąrašas

1. 
   Fizinė enciklopedija. http://enc-dic.com/enc_physics/Kapilljarne-javlenija-911.html
2. 
   Skysčių savybės http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=161&Itemid=72#q3
3. 
   kapiliariniai reiškiniai. http://seaniv2006.narod.ru/1191.html (12.12.03)