§I.3.6 смачивание. Капиллярные явления.

Поверхностные явления существуют не только на границе пара и жидкости, но и на границе с твердым телом. Когда жидкость соприкасается с твердым телом, силы поверхностного натяжения могут вызвать либо растекание жидкости по твердому телу (смачивание), либо, наоборот, уменьшение поверхности соприкосновения (несмачивание). Если жидкость находится в капилляре (узкие цилиндрические трубки с диаметром около миллиметра и менее), то явление смачивания или несмачивания приводит к искривлению поверхностного слоя жидкости. Искривлённые поверхности жидкости в капиллярах называются менисками. Если жидкость смачивает стенки капилляра, мениск имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую форму. Искривлённая поверхность оказывает на жидкость избыточное (добавочное) давление. Это давление, обусловлено силами поверхностного натяжения. Поверхностные силы дают результирующую, действующую внутрь несмачивающей жидкости или наружу в случае смачивающих жидкостей (лапласовские силы); в первом случае уровень жидкости в капилляре понизится, во втором – повысится (по отношению к уровню жидкости, находящейся в широком сосуде).

Избыточное давление для произвольной поверхности жидкости двоякой кривизны, можно определить по формуле Лапласа

, (I.81)

где и – радиусы кривизны двух любых взаимно перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости в данной точке. Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости.

Для сферически искривлённой поверхности выражение (I.81) примет вид

. (I.82)

Для цилиндрически искривлённой поверхности и – избыточное давление

. (I.83)

Для плоской поверхности силы поверхностного натяжения избыточного давления не создают.

Уровень идеально смачивающей (несмачивающей) жидкости в капилляре радиуса r выше (ниже), чем в сообщающемся с ним широком сосуде, на высоту h, равную

, (I.84)

где – плотность жидкости; – ускорение силы тяжести.

Формула (I.84) носит название формулы Жюрена (она связывает высоту подъема или опускания жидкости в капилляре с радиусом капилляра, плотностью жидкости и коэффициентом ее поверхностного натяжения).

В трубках значительного внутреннего диаметра искривленная поверхность жидкости уже не имеет сферической формы, поэтому формула Жюрена к ним не применима. При очень большом диаметре искривленные участки поверхности очень малы (по отношению ко всей поверхности) и не могут оказать влияния на уровень жидкости в трубке.

Изменения высоты уровня в капиллярах называются капиллярными явлениями. Они связаны с тем, что для равновесия смачивающей жидкости в капилляре избыточное давление должно быть равно гидростатическому давлению ( ). Снижение уровня несмачивающей жидкости в капилляре объясняется тем, что дополнительное давление вытесняет жидкость из капилляра до тех пор, пока не установится равновесие такое же, как для смачивающей жидкости ( ).

Капиллярными явлениями объясняется свойство ряда тел (вата, ткани, почвы, бетон и т.д.) впитывать влагу (гигроскопичность тел).