Капиллярные явления
Капиллярные явления — это проявления взаимодействия жидкостей с твёрдыми поверхностями в узких каналах или порах, обусловленные силами поверхностного натяжения и адгезией.
Причины капиллярных явлений
- Поверхностное натяжение — сила, действующая на поверхности жидкости, стремящаяся минимизировать площадь поверхности.
- Адгезия — взаимодействие молекул жидкости с поверхностью твёрдого тела.
- Коэффициент смачивания (угол смачивания θ): угол между касательной к поверхности жидкости и твёрдой поверхностью в точке контакта.
Подъем и опускание жидкости в капиллярах
- Если жидкость хорошо смачивает поверхность (θ < 90°), то она поднимается в капилляре выше уровня окружающей жидкости.
- Если жидкость не смачивает поверхность (θ > 90°), то уровень жидкости в капилляре опускается ниже.
Высота подъёма жидкости в капилляре описывается формулой:
$$ h = \frac{2\sigma \cos \theta}{\rho g r} $$
где: h — высота подъёма, σ — поверхностное натяжение жидкости, θ — угол смачивания, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, r — радиус капилляра.
Значение капиллярных явлений
- Капиллярность обеспечивает подъем жидкости в растениях от корней к листьям.
- Объясняет движение жидкости в тонких порах почвы.
- Используется в технических приборах, например, в капиллярных термометрах и в процессах впитывания.
Капиллярное давление
Разница давления внутри и снаружи криволинейной поверхности жидкости, создаваемая поверхностным натяжением, определяется законом Лапласа:
$$ \Delta P = \sigma \left(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\right) $$
где R1 и R2 — радиусы кривизны поверхности жидкости.
Связь капиллярных явлений с другими процессами
- Капиллярность влияет на процессы испарения и конденсации в пористых телах.
- В технологических процессах часто необходимо контролировать смачивание и капиллярный подъём жидкости.
- В медицине и биологии капиллярные явления играют важную роль в транспорте жидкостей.