Для рідин, що не змочують ...
Експеримент IIX.13: Підйом в капілярах
У цьому розділі ми хочемо узагальнити похідне поняття поверхневого натягу. До цього часу ми розглядали лише поверхневий натяг рідини проти повітря, точніше щодо вакууму, тепер ми припускаємо, що межа розділу, як правило, охоплена двома середовищами, середовищем 1 проти середовища 2. Така поверхня розділу існує, наприклад, між двома рідинами, між рідиною та твердим речовиною або між рідиною та газом. Для того, щоб ідентифікувати середовище, між яким існує інтерфейс, ми позначаємо поверхневий натяг двома індексами s 12. Цей поверхневий натяг тепер позначає напругу, яка діє від поверхні 1 до поверхні 2. Поверхневий натяг є мірою енергії, яку потрібно витратити або набрати при зміні межі розділу між середовищем 1 і середовищем 2.
Якщо поверхневий натяг більший за 0, поверхнева молекула в середовищі 2 сильніше притягується до власного середовища, тобто середовища 2, ніж до середовища 1. Як вже обговорювалося, інтерфейс намагається мінімізувати себе.
Якщо, навпаки, поверхневий натяг негативний, поверхневі молекули сильніше притягуються до середовища 1, ніж до середовища 2. У цьому випадку інтерфейс намагається максимізувати себе.
Якщо між двома рідинами є інтерфейс, можливе змішування.
Ми розглянемо це явище лише на одному прикладі. З цією метою ми розглянемо, як поверхневий натяг діє на поверхню рідини проти газової фази на стінці посудини
Перший малюнок показує межу розділу рідини та газу на стінці посудини, де поверхневий натяг позитивний.
Тепер розглянемо елемент лінії d l граничної лінії між 3 середовищами; На цю межу діють 3 сили:
F 13 = s 13 d l і F 12 = s 12 d l лежать на одній лінії дії, але протилежні. Складова сили F 23 = s 23 d l, що діє в цьому напрямку, обчислюється за допомогою косинуса.
При s 12> 0 усі 3 сили намагаються зменшити відповідну поверхню. У рівновазі застосовується до стінки судини
Є чотири різні способи, як поверхневий натяг співвідноситься між собою:
1-й випадок: s 12 s 13. Кут, який утворює рідина зі стінкою посудини, дорівнює j 0. Рідина не змочується. Цей випадок наведено на малюнку IIX.24a. Прикладом, який уже використовували, є ртуть.
2-й випадок: s 12> s 13. Кут, який утворює рідина зі стінкою посудини, j> 90 0. Рідина змочується. Цей випадок наведено на малюнку IIX.24b. Прикладом цього є мильна вода.
3-й випадок: рівновага можлива лише за умови | s 13 - s 12 | s 23 є.
4-й випадок: якщо s 13 - s 12> s 23, рідина повзе по стінці судини і повністю змочує її. Це властивість має, наприклад, проникаючу олію.
Різне змочування поверхонь рідинами означає, що рідини у вузьких посудинах мають інший рівень, ніж рідина поза посудиною. Ця властивість називається капілярністю.
Давайте розглянемо цей наслідок міжфазної напруги в мисленнєвому експерименті:
Рідина піднімається у вузькій трубці радіусом r навколо шматка h. Поверхня утворює частину сферичної оболонки радіусом R. Цей радіус R відповідає лише дуже малому куту змочування j в граничному випадку .
З експерименту з мильною бульбашкою ми знаємо, що зменшення поверхні створює тиск. Тиск криволінійної поверхні рідини становить
Далі стосується кута падіння рідини j на стінку
Отже, це слід для друку
У рівновазі сила тяжіння і поверхневий натяг знаходяться в рівновазі:
Якщо підсумувати r/cos j до r ', це випливає
Для граничного випадку j = 0 капілярний закон читає
Тому висота підйому обернено пропорційна радіусу труби.
s - поверхневий натяг рідини проти повітря. Для рідин, що не змочують, тиск діє в зворотному напрямку: рівень рідини натискається вниз. У цьому випадку говорять про "капілярну депресію"
Розглянемо тепер два експерименти з закону капілярів.
У цьому експерименті п’ять труб з різним радіусом занурені однаково глибоко в рідину. Завдяки капілярній дії вода піднімається в трубах. Можна помітити, що рідина піднімається вище в трубках з меншими радіусами. Якщо ви подивитеся на трубу діаметром два міліметри і одну діаметром один міліметр, ви побачите зворотну залежність між висотою підйому та діаметром труби істинною: у тоншій трубі вода вдвічі більша.
В іншому експерименті ми розглянемо клин зі скла:
Як і очікувалось, ми бачимо гіперболу, що зростає у воді; чим менша відстань між плитами, тим вище піднімається вода. Натомість ртуть не змочується, оскільки відстань між плитами зменшується, висота підйому також зменшується.