Landsberg-1985-T1

253.4. ПознакомьТЕ'СЬ с процессом паяния. Чтобы расплавлен-­

ный припой (например, сплав олова со свинцом) растекался

на поверхностя:t спаИВ!lемых металлических предметов, надо тща­

тельно очищать эти поверхиости паяльной жидкостыо (например,

хлористым цинком). Хлористый цинк освобождает металличе­ скую поверхность от окислов. Примите во внимание громадные силы спепления в металлах и объясните, почему необходимо соп­

рикосновение припоя с совершенно чистой металлическЪй по­

верХiюстью.

§ 254. РаСПOJlожен·ие молекул у поверхности тел. Произведем такой опыт. На поверхность чистой горячей воды поместим небольшой кусок пара­

фина (воска, нафталина). Парафин расплавится и растечется тонкой пленкой по поверхности воды. Дадим воде остыть. Парафин затвердеет в виде тонкой пластинки. Осторожно вынем эту пластинку, стараясь

не касаться ее поверхностн, и, разделив на две части, поместим горизон­

тально, предварительно перевернув одну из частей. Теперь при помощи пипетки нанесем на поверхности IJластинок капли чистой воды. Мы уви­

дим, что капли поведут себя различно. На той поверхности парафина,

которая соприкасалась с воздухом, капля воды не растечется и будет иметь такую же форму, как ртуть на стекле; в этом случае вода не сма­

чивает парафин. На поверхиости, соприкасавшейся с водой, капля воды Ifемедленно растечется, образуя тонкую пленку; в этом случае вода сма­

чивает парафин.

Почему же одно и то :же твердое вещество в одних случаях смачи­

вается жидкостью, а в других не смачивается?

Объяснение в следующем. Молекулы многих веществ довольно

сложны; благодаря этому различные части такой молекулы могут об­ наруживать различные силы сцепления при взаимодействии с другими

молекулами. Если каким-либо образом расположить подобные молеку­ лы так, что в одну сторону будут обращены концы, сильно взаимодейст­

вующие с водой, а в другую - слабо взаимодействующие, то получится

пластинка, одна поверхность которой будет смачиваться водой, а дру­ гая не будет. Парафин на горячей воде плавится, и молекуo1lЫ жидкого

Рис. 416. Расположение молекул масля· ной смазки вблизи твердого тела А. Ак­

тивные концы молекул обозначены чер­ ным, инертные - белым. Скольжение про­

исходит в местах В и D. В месте С сколь-

жениянет

парафина поворачиваются, притягиваясь своими сильно взаимодейст­ вующими с водой концами к поверхности воды. В таком положении они

R застывают, когда вода охлаждается, и в резу.1ьтате получается та

двусторонняя пластинка, свойства которой мы обнаружили в описанном

опыте.

472

Наиболее сильио влияние определенного расположения молекул

в поверхиостном слое у маслянистых веществ, обладающих СМ<tЗОЧНЫМ действием. На основании химических исследований этим молекулам

приписывают удлинеин~ю форму, причем на ОДIIОМ ее конце находится группа атомов СООН (так называемая карбоксильиая группа). Эта груп­

па и обусловливает сцепление молекул маслянистых веществ с поверх­ ностями твердых тел (активные концы). Другие концы тех же молекул

дают очень малые силы сцепления (инертные концы).

Такое представление дает возможность объяснить смазочное действие очень тонких слоев масел. Слой смазки между двумя твердыми (напри­ мер, металлическими) поверхностями разделяется на слои, обращенные

друг к другу попеременно активными и инертными концами, как пока­

зано на рис. 416. К твердым телам примыкает слой молекул, прикре­ пившихея к нему своими активными концами. Эти молекулы распола­

гаются'подобно щетине на щетке. При движении происходит скольже­ ние между инертными концами молекул смачивающего вещества. При этом скольжении H~" получается больших сил, ему препятствующих, так как силы сцепления у этих концов молекул малы. Поэтому и трение

получается весьма малым.

Отметим, что у жидкостей, не обладающих смазочным действием

в тонких слоях, МОJ1екулярная картина течения жидкости вблизи твер­

дого тела имеет иной характер.

§ 255. Значение кривизны свободной поверхности жидкости.

Мы постоянно встречаемся с кривыми поверхностями жид­

костей: кривой является поверхность повисшей капли (рис. 372); поверхность воды, облекающей намокшие волосы (рис. 402); поверхность любой капельки жидкости, любого

пузырька в ней и т. д.

Какое же значение имеет кривизна поверхности? Легко

сообразить, что силы, связанные с наличием поверхностного

натяжения и направленные по касательной к поверхности

жидкости, в случае выпуклой поверхности дают резуль­

тирующую, направленную внутрь жидкости (рис. 417, а). В случае вогнутой поверхности результирующая сила на­ правлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидко­ стью (рис. 417, б). На основании этих упрощенных рассуж­

дений можно ожидать, что давление жидкости, ограничен­

ной выпуклой поверхностью, больше давления окружающего

газа (или друFOЙ жидкости, граничащей с первой), а давле­

ние жидкости, ограниченной вогнутой поверхностью, наобо­

рот, меньше давления окружающего газа. Чтобы прове­

рить этО предположение, обратимся к опытам.

1. На рис. 418 показана узкая стеклянная трубка В, соединенная резиновой трубкой с широкой трубкой А. В трубках находится вода. Установим конец трубки В на уровне жидкости в трубке А. При этом поверхность воды в трубке В горизонтальная и совершенно плоская (рис. 418, а). Будем

теперь осторожно опускать трубку В. Конец трубки В, дО

473

которого доходит вода, станет ниже уровня воды в трубке А, и вместе с тем поверхность воды в ней примет выпуклую

сферическую форму (рис. 418, 6). Подумаем, что это значит. Над выпуклой сферической поверхностью воды в :грубке В

и над плоской поверхностью воды в трубке А одно и то же

атмосферное давление. На уровне конца трубки В в трубке

А (рис. 418, 6) давление больше атмосферного. Так как жид­

кость находится в равновесии, то, следовательно, и у конца

трубкиВ непосредственно под выпуклой поверхностью дав­ ление больше атмосферного. Добавочное давление под вы­

пуклой поверхностью жидкости вызывается молекулярными

силами. Стремление жидкости уменьшить свою свободную

поверхность приводит к тому, что жидкость, находящаяся

под сферической поверхностью, оказывается несколько

сжатой, а потому имеющей добавочное давление.

Будем продолжать опыт, опуская трубку В еще ниже. При этом радиус сферической поверхности воды еще умень­ шится, а разность уровней в трубках еще увеличится. От­

сюда вывод: добавочное давление под выпуклой поверх-

474

ностью жидкостн теМ больше, чем раднус этой поверхности

MeHЫlle.

2. На рис. 419, а показан прибор для выдувания пузырь­

ков из узкого конца С трубки, опущенного в жидкость на

небольшую глубину. Нажимая на резиновую грушу А, мы

.tJ)

Рис. 419. а) Прибор для выдувания пу3ыьковB в жидкости. б)-г) В на­

чале выдувания пузырька радиус кривой поверхности жидкостн посте­

пенно уменьшается. д) Под конец выдувания радиус поверхности снова

, . увеличивается

создаем внутри трубки повышенное давление, регистрируе­

мое жидкостным манометром В. По мере увеличения давле­

ния в трубке радиус выдуваемого пузырька все умеljьшается

(рис. 419, б - г). Если, продолжая нажимать на грушу А,

дойдем до такого положения,. что радиус пузырька начнет

увеличиваться (рис. 419, д), манометр покажет уменьшение

давления.

475

Так как'мы предположили, что х очень мало по 'сравнению с'R, ТО можно

принять увеличение площади поверхности равным 8лRх. При этом по­

верхностная энергия получит приращение ilЕ=8лRха. Приравиивая работу А и приращение энергии дЕ, получим

Как видно, добавочное давление зависит от радиуса сферической

поверхности. При малых раднусах оно может достигать болыJ,lИХ зна­ чений; например, добавочное давленне внутри пузырька радиуса 1 мкм

в воде равно 1,42'.\05 Па. В случае сферических поверхностей с болЬ'­

шими радиусами (например, 1О см) добавочное давление пренебрежимо мало (0,96·10-5 Па). Добавочное давление равно нулю в случае плоской

поверхности, которую можно рассматривать как предел сферической поверхности при бесконечном увелнчении ее радиуса.

255.2.Когда воздух быстрее вы­ текает из воронки, на которой вы­

дут мыльный пузырь: при большом

диаметре пузыря или при малом?

255.3.Если поместить каплю во­

ды между двумя стеклянными пла­

стинками (рис. 422), то для отде­

ления пластинок друг от друга

потребуется некоторая сила. Эта сила тем больше, чем больше пло­ щадь, занимаемая каплей, и чем

ной трубке с переменным сечением

расположились капельки воды и пузырьки воздуха, как по­

казано нз рис. 423, то продуть такую трубку очень трудно.

Ри~. 422. К упражнению 255.3

Объясните явление. Подобная закупорка тонких трубок с пере,,­

менным сечением является в технике вредным явлением, с кото­

рым приходится бороться. По этой же причине является крайне

вредным выделение газовых пузырьков в кровеносных сосудах

людей и животных, так как это полностью прекращает ток крови

по этим сосудам.

255.5. Накапайте из пузырька в пробирку 50 капм» чистой

воды. В другую пробирку такого же размера накапайте из того

477

же пузырька столько же капель воды с небольшой примесью мыла или эфира (можно с примесью эфирно-валерьяновых капель). Сравните объем жидкостей в пробирках. Чем объяснить разницу в размерах капель?

Рис. 423. К упражнению 255.4

§ 256. КаПИЛЛSlрные явления. В жизни мы часто имеем дело

с телами, пронизанными множеством мелких каналов (бу­

мага, пряжа, кожа, различные строительные материалы,

почва, дерево). Приходя в соприкосновение с водой или

другими жидкостями, такие тела очень часто впитывают

их в себя. На этом основано действие полотенца при вытира­

нии рук, действие фитиля в керосиновой лампе и т. д.

Очень часто жидкость, впитываясь в пористое тело, под­

нимается вверх; например, поднимаются вверх чернила,

впитывающиеся в промокательную бумагу (рис. 424). Подоб­

ные явления можно также наблю-

дать в очень узких стеКJlЯННЫХ трубках (рис. 424). Узкие трубки на- зываются каnUЛЛЯРНbl.ktu (от латинского слова capiI1aris.- волосной).

Опустим такую трубку в жидкость. Если жидкость сма­

чивает стенки трубки, то она поднимается по стенкам трубки над уровнем жидкости в сосуде и притом тем выше, чем уже

трубка (рис. 425). Если жидкость не смачивает стенки, то,

наоборот, уровень жидкости в узкой трубке устанавливает­ ся ниже, чем в широкой (рис. 426).

Как объясняются описанные явления? В § 253 мы виде­

ли, что поверхность жидкости около стенки изгибается вверх

или вниз в зависимости от того, смачивает она стенку или

нет. В узкой трубке края жидкости образуют всю по­

верхность жидкости так, что поверхность имеет вид, напо-

478

минающ-ий полусферу (так называемый .м.енис1С), в случае

смачивающих жидкостей обращенную ,вверх вогнутостью, а '8 случае несмачивающих - вверх выпуклостью (рис.

427). Наличие кривой поверхности жидкости связано с на­ личием разности давлений (§ 255): под вогнутым мениском

давление жидкости меньше, чем под плоским, и это ведет

к тому, что в случае вогнутого мениска жидкость поднима­ ется до тех пор, пока гидростатическое давление не компен­

сирует разность давлений; под выпуклым мениском давле­ ние больше, чем под плоским, и это ведет к опусканию жид­

кости в узких трубках. '

Таким образом, в узкой трубке смачивающая 'жидкость

устанавливается выше уровня в широкой трубке, а несма­ чивающая УстанаВ.lIивается ниже уровня в широкой трубке.

Высота поднятия жидкости в капиллярной трубке тем

больше, чем больше поверхностное натяжение жидкости u чем меньше радиуо трубки u плотность жидкости. Это

положение можно отнести и к твердым материалам, прони­

,занным тонкими каналами неправильной формы. Если ма­ териал смачивается водой, то она втягивается в него на тем

.большую высоту, чем уже каналы.,

?256.1. ПОJIОЖИте В воду кусок мела. Из него во всех направленияхначнут выходить пузырьки. Объясните ямение. -

256.2. Если сложить две стеклянные пластинки так, чтобы с ОДНQЙ стороны их края сходились вплотную, а с другой -

были разделены тонкой пало~lКОЙ, и опустить их в воду, то вода

между пластинками поднимется (рис. 428). Чем это объяснить?

256.3.На рис. 429 изображено устройство для стекания влаги, образующейся зимой на подоконниках. Почему вода стекает по

узкой цолоске тряпки прямо в бутылку?

256.4.Если одну и ту же капиллярную трубку опустить один

раз в холодную, а другой раз в горячую воду, то во втором слу­

чае высота по,цНЯ1'ИЯ воды меньше. Как это объяснить?

479

256.5. Стеклянные трубки, форма которых показана на рис. 430,

полностью погружают ВВОДУ, а затем медленно поднимают.

Левая трубка состоит нз тонкого капнлляра А, к которому припаяна широкая трубка В; правая трубка представляет собой

Рис. 429. К упражненню 256.3

изогнутый капилляр С. Что будет наблюдаться при ВЫТЯгивании

трубок из воды?

256.6. В воду погружены две стеклянные капиллярные трубки

одного и того же диаметра, имеющие форму, изображенную на

рис. 431. Высота поднятия воды в прямой трубке выше вершины

изогнутой трубки. Не будет ли из изогнутой трубки непрерывно

течь вода, т. е. не будет ли такая трубка служить вечным дв.нга­

телем? В чем ошибка такого предположения?

256.7. Разломите кусок мела и прикоснитесь к свежему излому языком. Почему язык «прилипает» К мелу?

§ 257. Высота ПОДНЯТИЯ жидкости в капиллярных трубках.

Итак, высота h ПОДНЯТИЯ жидкости в капиллярных трубках зависит от радиуса R канала в трубке, поверхностного на­ тяжения (J и плотности р жидкости. Выведем формулу, свя~ зывающую ЭТИ величины. Наибольший интерес представ-

480