1.6 Капиллярные свойства капельной жидкости

Молекулы жидкости, расположенные у поверхности контакта с другой жидкостью, газом или твёрдым телом, находятся в условиях отличных от условий, в которых находятся молекулы, лежащие внутри объёма жидкости и окружённые такими же молекулами. Отличается и их энергия на величину поверхностной энергии Э_п, которая пропорциональна площади поверхности раздела :

Э_п =  × , (1.14)

где   коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м².

Поверхностное натяжение капельной жидкости обусловлено силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя, стремящихся сократить свободную поверхность жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения   это энергия на единицу площади или сила на единицу длины:

 = = , (1.15)

где F_п – сила поверхностного натяжения, Н;

l – длина линии, ограничивающей поверхность раздела , м.

Коэффициент поверхностного натяжения  зависит:

 от природы соприкасающихся сред;

 от чистоты жидкости;

 от температуры.

Например, при температуре 20 ⁰С для соприкасающихся сред имеем:

вода – воздух  = 0,073 Дж/м²;

ртуть – воздух  = 0,18 ДЖ/м².

Вещества, снижающие величину коэффициента поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).

При повышении температуры коэффициент поверхностного натяжения снижается, а в критической точке перехода жидкости в пар – равен нулю.

Влияние поверхностного натяжения приходится учитывать при работе с жидкостными приборами для измерения давления, при истечении жидкости из малых отверстий, при образовании капель в свободных струях.

Посмотрим, что происходит на поверхности раздела трёх фаз – твёрдой, жидкой и газообразной (рис. 2).

Между поверхностью жидкости и твёрдой стенкой образуется краевой угол  (тета).

Жидкость смачивает поверхность, если краевой угол  менее 90⁰ (острый угол). Если краевой угол  больше 90⁰, то жидкость не смачивает поверхность. Если краевой угол  = 180⁰, то имеет место полное несмачивание.

а) б)

Рисунок 2 – Поведение жидкости на поверхности раздела трёх сред

От явления смачивания зависит поведение жидкости в капиллярах, В случае смачивания жидкость в трубке поднимается над уровнем свободной поверхности (рис. 3,а), а в случае несмачивания – опускается ниже уровня свободной поверхности жидкости в резервуаре (рис. 3, б).

а) б)

Рисунок 3 – Поведение жидкости в капиллярах

Высота капиллярного поднятия (или опускания) жидкости в трубке находится по формуле:

h = × cos, (1.16)

где   удельный вес жидкости;

r – радиус трубки.

Величина называется капиллярной постоянной.

Во всех явлениях, происходящих при совместном действии сил поверхностного натяжения и сил тяжести значительную роль играет капиллярная постоянная.