Капиллярные явления
При попадании жидкости в капилляр, между молекулами жидкости и вещества, из которого изготовлен капилляр, возникает взаимодействие (притяжение). Если это взаимодействие сильнее, чем притяжение между молекулами жидкости, то жидкость смачивает стенку капилляра. Иначе, если взаимодействие слабее, - жидкость не смачивает стенку капилляра. Из-за этого в трубке капилляра образуется вогнутый или выпуклый мениск. За счет изогнутости мениска на жидкость действует добавочное давление, что заставляет жидкость смещаться вдоль капилляра.
Капиллярные явления
Высота h, на которую поднимается вверх жидкость в смачивающем ее цилиндрическом капилляре радиусом r, после его соприкосновения с жидкостью, найдем из соотношений
|
P |
2 |
gh, |
R |
r |
, |
т.е. |
h |
2 cos |
, |
|
|
cos |
|
|
R |
r g |
|
|
|
|
|
|
|
|
где φ – краевой угол (угол смачивания); ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения.
Аналогичная формула получиться и для не
смачивающего
жидкость капилляра, но в этом случае жидкость
Поверхностно-активные вещества
Растворение в жидкости различных добавок вызывает изменение поверхностного натяжения. Это особенно заметно в тех случаях, когда силы взаимодействия между молекулами растворенного вещества и растворителя сильно отличаются от сил взаимодействия между молекулами растворителя. Если последние больше первых, то молекулы растворенного вещества, слабо взаимодействующие с молекулами растворителя, «выталкиваются» последними в поверхностный слой. Концентрация молекул растворенного вещества в поверхностном слое будет больше концентрации их в объеме жидкости.
Поверхностно-активные вещества
Вещества, собирающиеся в поверхностном слое при растворении их в жидкости, называют
поверхностно-активными веществами, а
явление повышенной концентрации молекул этих веществ в поверхностном слое растворителя называют адсорбцией. Адсорбция молекул газа или жидкости может происходить также и на поверхности твердого тела, контактирующего с газом или жидкостью (например, на поверхности активированного угля). Поверхностно-активными веществами по отношению к воде являются многие органические вещества: жирные кислоты, их соли, спирты, эфиры и др. Поверхностноактивные вещества вызывают уменьшение поверхностного натяжения.
Поверхностно-активные вещества
Если силы взаимодействия между молекулами растворенного вещества и
растворителя больше сил взаимодействия
между молекулами растворителя (например, в случае раствора сахара в воде), то
наблюдается обратное явление —
концентрация молекул растворенного
вещества в поверхностном слое оказывается
меньшей, чем в остальном объеме раствора. Такое явление называют отрицательной адсорбцией.
Флотация
Особенно важное значение для техники имеет использование поверхностных явлений в процессе обогащения руд, называемом флотацией. Как правило, кусочки руды плохо смачиваются водой, но хорошо смачиваются жирными органическими веществами. В то же время, пустая порода, всегда встречающаяся вместе с рудой, хорошо смачивается водой и плохо маслами. Если поместить раздробленную руду вместе с породой в воду, в которой в виде мельчайших капелек находятся специальные масла, то кусочки породы окажутся смоченными водой, а кусочки руды — маслом.
Флотация
Интенсивно вспенивая образовавшуюся массу и отделяя часть, уходящую вместе с пеной от той, которая падает на дно сосуда, можно значительно обогатить руду содержащимися в ней ценными минералами. Обогащение достигается в результате того, что присутствующие в пене пузырьки воздуха прилипают к маслянистому слою, обволакивающему кусочки руды, и уносят их вместе с пеной на поверхность. К смоченным водой кусочкам пустой породы, удельный вес которой обычно меньше удельного веса руды, воздушные пузырьки не прилипают, и пустая порода падает на дно.
Испарение
Если жидкость находится в открытом сосуде, она постепенно испаряется, т.е.
переходит в газообразное состояние.
Испарение происходит при всякой температуре, но для каждой данной
жидкости с повышением температуры скорость испарения увеличивается.
Испарение
Явление испарения объясняется тем, что в жидкостях, как и в газах, молекулы обладают различными энергиями как большими, так и меньшими средней энергии, значение которой определяется температурой Т. Поэтому при каждой температуре Т в жидкости находятся настолько быстрые молекулы, что они, подходя к поверхности жидкости, могут преодолеть притяжение соседних молекул и, прорвавшись сквозь поверхностный слой, вылететь за пределы жидкости. Чем выше температура жидкости, тем больше число быстрых молекул и тем, следовательно, быстрее идет испарение.
Во время испарения из жидкости вылетают более быстрые молекулы, при этом они тратят часть своей энергии на совершение работы против удерживающих их внутри жидкости сил молекулярного притяжения. Отсюда получается, что средняя энергия молекул, остающихся в
жидкости, убывает, т.е. жидкость охлаждается. |
309 |
Насыщенный пар
Если покинувшие жидкость молекулы удаляются из пространства вблизи поверхности жидкости, то в конце концов вся жидкость испарится. Если же молекулы, покинувшие жидкость, не удаляются, а удерживаются в замкнутом объеме около поверхности жидкости, то дальнейший процесс развивается по-другому. Покинувшие жидкость молекулы образуют пар. Молекулы пара, попавшие в область вблизи поверхности жидкости, силами притяжения втягиваются в жидкость. Таким образом, скорость испарения уменьшается. При дальнейшем увеличении плотности пара достигается такая ситуация, когда число молекул, покидающих жидкость за некоторое время, равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время. Наступает состояние динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия с жидкостью называется насыщенным.310
