Капиллярные явления (капиллярность)
Искривление свободной поверхности жидкости происходит вследствие взаимодействия молекул жидкости и твердого тела. Силы взаимодействия между молекулами жидкости стараются ее выпрямить, поскольку силы поверхностного натяжения стремятся сделать поверхность как можно меньшей.
В связи с этим в жидкости возникает дополнительное, так называемое лапласовское давление (названо в честь выдающегося французского физика П. Лапласа (1749—1827), который впервые его вычислил), направленное на выравнивание свободной поверхности: для вогнутого мениска — из жидкости, наружу, для выпуклого — внутрь, в жидкость.
Для сферической формы свободной поверхности жидкости лапласовское давление равно:
pЛ = 2σ / R,
где σ — поверхностное натяжение жидкости, R — радиус сферической поверхности.
В тонких трубках, которые называются капиллярами, лапласовское давление способствует поднятию уровня жидкости в них или его снижению. Например, если тонкую стеклянную трубку опустить в воду, то уровень воды в ней будет выше, чем основной, поскольку вода смачивает стекло (рис.
3.11, а). Точно так же, если ее погрузить в ртуть, то в результате несмачивания ртутью поверхности стекла уровень будет ниже (рис.
3.11, б).
Явления всасывания жидкости в трубку при смачивании или вытеснении ее из нее при несмачивании называются капиллярными.
Высота поднятия жидкости в капиллярной трубке h определяется уравновешиванием лапласовского и гидростатического давлений:
2σ / R = ρgh,
где ρ — плотность жидкости, σ — поверхностное натяжение.
Если предположить, что жидкость полностью смачивает (или не смачивает) поверхность капилляра, то ее мениск будет иметь сферическую форму, радиус которой R равен радиусу капилляра r (рис. 3.11, в). Тогда высота подъема (опускания) уровня жидкости в капилляре будет равна:
h = 2σ / ρgr.
Капиллярные явления играют значительную роль в природе, в быту и технике. Благодаря им происходят процессы питания растений, увлажнения почвы подземными водами.
Их используют в различных технических устройствах, при сушке пористых веществ, для измерения поверхностного натяжения разных жидкостей. В строительном деле их учитывают при изоляции фундамента от самого здания, прокладывая между ними не смачиваемые водой материалы (рубероид).
