Явления смачивания. капиллярные явления

Среди процессов, которые можно объяснить с помощью поверхностного натяжения и смачивания жидкостей, стоит особо выделить капиллярные явления. Физика – это загадочная и необыкновенная наука, без которой жизнь на Земле была бы невозможна. Давайте рассмотрим наиболее яркий пример этой важной дисциплины.

В жизненной практике такие интересные с точки зрения физики процессы, как капиллярные явления, встречаются весьма часто. Все дело в том, что в повседневной жизни нас окружает много тел, которые легко впитывают в себя жидкость. Причина этому – их пористая структура и элементарные законы физики, а результат – капиллярные явления.

Узкие трубки

Капилляр – это очень узкая трубка, в которой жидкость ведет себя особым образом. Примеров таких сосудов много в природе – капилляры кровеносной системы, пористых тел, почвы, растений и т. д.

Капиллярным явлением называется подъем или опускание жидкостей по узким трубкам. Такие процессы наблюдаются в естественных каналах человека, растений и других тел, а также в специальных узких сосудах из стекла. На картинке видно, что в сообщающихся трубках разной толщины установился разный уровень воды. Отмечено, что чем тоньше сосуд, тем выше уровень воды.

Эти явления лежат в основе впитывающих свойств полотенца, питания растений, движения чернил по стержню и многих других процессов.

Капиллярные явления в природе

Описанный выше процесс чрезвычайно важен для поддержания жизнедеятельности растений. Почва довольно рыхлая, между ее частицами существуют промежутки, которые представляют собой капиллярную сеть. По этим каналам поднимается вода, питая корневую систему растений влагой и всеми необходимыми веществами.

По этим же капиллярам жидкость активно испаряется, поэтому необходимо производить вспахивание земли, которое разрушит каналы и удержит питательные вещества. И наоборот, прижатая земля быстрее испарит влагу. Этим обусловлена важность перепашки земли для удержания подпочвенной жидкости.

В растениях капиллярная система обеспечивает подъем влаги от мелких корешков до самых верхних частей, а через листья она испаряется во внешнюю среду.

Поверхностное натяжение и смачивание

В основе вопроса о поведении жидкости в сосудах лежат такие физические процессы, как поверхностное натяжение и смачивание. Капиллярные явления, обусловленные ими, изучаются в комплексе.

Под действием силы поверхностного натяжения смачивающая жидкость в капиллярах находится выше уровня, на котором она должна находиться согласно закону сообщающихся сосудов. И наоборот, несмачивающая субстанция располагается ниже этого уровня.

Так, вода в стеклянной трубке (смачивающая жидкость) поднимается на тем большую высоту, чем тоньше сосуд. Напротив, ртуть в стеклянной пробирке (несмачивающая жидкость) опускается тем ниже, чем тоньше эта емкость. Кроме того, как указано на картинке, смачивающая жидкость образует вогнутую форму мениска, а несмачивающая – выпуклую.

Смачивание

Это явление, которое происходит на границе, где жидкость соприкасается с твердым телом (другой жидкостью, газами). Оно возникает по причине особого взаимодействия молекул на границе их контакта.

Полное смачивание означает, что капля растекается по поверхности твердого тела, а несмачивание преобразует ее в сферу. На практике чаще всего встречается та или иная степень смачивания, нежели крайние варианты.

Сила поверхностного натяжения

Поверхность капли имеет шарообразную форму и причина этому закон, действующий на жидкости, – поверхностное натяжение.

Капиллярные явления связаны с тем, что вогнутая сторона жидкости в трубке стремится выпрямиться до плоского состояния благодаря силам поверхностного натяжения.

Это сопровождается тем, что наружные частицы увлекают за собой вверх тела, находящиеся под ними, и субстанция поднимается вверх по трубке. Однако жидкость в капилляре не может принимать плоскую форму поверхности, и этот процесс подъема продолжается до определенного момента равновесия.

Чтобы рассчитать высоту, на которую поднимется (опустится) столб воды, нужно воспользоваться формулами, которые будут представлены ниже.

Расчет высоты подъема столба воды

Момент остановки подъема воды в узкой трубке наступает, когда сила тяжести Ртяж субстанции уравновесит силу поверхностного натяжения F. Этот момент определяет высоту подъема жидкости. Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами:

• сила тяжести Ртяж заставляет жидкость опускаться вниз;
• сила поверхностного натяжения F двигает воду вверх.

• Сила поверхностного натяжения, действующая по окружности, где жидкость соприкасается со стенками трубки, равна:
• F = σ2πr,
• где r – радиус трубки.
• Сила тяжести, действующая на жидкость в трубке равна:
• Ртяж = ρπr2hg,
• где ρ – плотность жидкости; h – высота столба жидкости в трубке;
• Итак, субстанция прекратит подниматься при условии, что Ртяж = F, а это значит, что
• ρπr2hg = σ2πr,
• отсюда высота жидкости в трубке равна:
• h=2σ/pqr.
• Точно так же для несмачивающей жидкости:

h – это высота опускания субстанции в трубке. Как видно из формул, высота, на которую поднимется вода в узком сосуде (опустится) обратно пропорционально радиусу емкости и плотности жидкости. Это касается смачивающей жидкости и несмачивающей. При других условиях нужно делать поправку по форме мениска, что будет представлено в следующей главе.

Лапласовское давление

Как уже отмечалось, жидкость в узких трубках ведет себя так, что создается впечатление нарушения закона сообщающихся сосудов. Этот факт всегда сопровождает капиллярные явления.

Физика объясняет это с помощью лапласовского давления, которое при смачивающей жидкости направлено вверх. Опуская очень узкую трубку в воду, наблюдаем, как жидкость втягивается на определенный уровень h.

По закону сообщающихся сосудов, она должна была уравновеситься с внешним уровнем воды.

1. Это несоответствие объясняется направлением лапласовского давления pл:
2. pл=2σ/R,
3. В данном случае оно направлено вверх. Вода втягивается в трубку до уровня, где приходит уравновешивание с гидростатическим давлением pг столба воды:
4. pг=pqh,
5. а если pл=pг, то можно приравнять и две части уравнения:
6. 2σ/R= pqh.
7. Теперь высоту h легко вывести в виде формулы:
8. h=2σ/pqR.

Когда смачивание полное, тогда мениск, который образует вогнутая поверхность воды, имеет форму полусферы, где Ɵ=0. В таком случае радиус сферы R будет равен внутреннему радиусу капилляра r. Отсюда получаем:

• h=2σ/pqr.
• А в случае неполного смачивания, когда Ɵ≠0, радиус сферы можно вычислить по формуле:
• R=r/cosƟ.
• Тогда искомая высота, имеющая поправку на угол, будет равна:
• h=(2σ/pqr)cos Ɵ.

Из представленных уравнений видно, что высота h обратно пропорциональна внутреннему радиусу трубки r. Наибольшей высоты вода достигает в сосудах, имеющих диаметр человеческого волоса, которые и называются капиллярами. Как известно, смачивающая жидкость втягивается вверх, а несмачивающая – выталкивается вниз.

Можно провести эксперимент, взяв сообщающиеся сосуды, где один из них широкий, а другой – очень узкий. Налив туда воду, можно отметить разный уровень жидкости, причем в варианте со смачивающей субстанцией уровень в узкой трубке выше, а с несмачивающей – ниже.

Важность капиллярных явлений

Без капиллярных явлений существование живых организмов просто невозможно. Именно по мельчайшим сосудам человеческое тело получает кислород и питательные вещества. Корни растений – это сеть капилляров, которая вытягивает влагу из земли, донося ее до самых верхних листьев.

Простая бытовая уборка невозможна без капиллярных явлений, ведь по этому принципу ткань впитывает воду. Полотенце, чернила, фитиль в масляной лампе и множество устройств работает на этой основе. Капиллярные явления в технике играют важную роль при сушке пористых тел и других процессах.

Порой эти же явления дают нежелательные последствия, например, поры кирпича впитывают влагу. Чтобы избежать отсыревания зданий под воздействием грунтовых вод, нужно защитить фундамент с помощью гидроизолирующих материалов – битума, рубероида или толя.

Промокание одежды во время дождя, к примеру, брюк до самых колен от ходьбы по лужам также обязано капиллярным явлениям. Вокруг нас множество примеров этого природного феномена.

Эксперимент с цветами

Примеры капиллярных явлений можно найти в природе, особенно если говорить о растениях. Их стволы имеют внутри множество мелких сосудов. Можно провести эксперимент с окрашиванием цветка в какой-либо яркий цвет в результате капиллярных явлений.

Нужно взять ярко окрашенную воду и белый цветок (или лист пекинской капусты, стебель сельдерея) и поставить в стакан с этой жидкостью.

Через какое-то время на листьях пекинской капусты можно наблюдать, как краска продвигается вверх. Цвет растения постепенно изменится соответственно краске, в которую он помещен.

Источник: https://www.syl.ru/article/197759/new_kapillyarnyie-yavleniya-fizika-kapillyarnyie-yavleniya-v-prirode

Поверхностное натяжение. Капиллярные явления

Категория: Поверхностное натяжение

Для начала вспомним все, что мы знаем о поверхностном натяжении. Это явление наблюдается на поверхностях жидкостей и связано с тем, что молекулы на поверхности слабо взаимодействуют с паром жидкости, в то время как молекулы внутри объема испытывают равные силы притяжения со стороны всех своих соседей. Таким образом, эти силы компенсируют друг друга, и их равнодействующая равна нулю. Молекула же, находящаяся на поверхности, испытывает меньшее притяжение со стороны молекул пара и большее – снизу, со стороны объема жидкости. В итоге равнодействующая не равна нулю и направлена вниз.

• Поверхностной энергией называется избыточная потенциальная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое по сравнению с их потенциальной энергией внутри остального объема жидкости.
• Чтобы сократить свою потенциальную энергию (всякая система стремится к минимальной потенциальной энергии) жидкость стремится сократить количество молекул на поверхности – то есть сократить свою поверхность насколько возможно, сжаться.
• Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе, действующей на единицу длины периметра смачивания и направленной перпендикулярно этому периметру: (Н/м).

Смачиванием называется явление искривления свободной поверхности жидкости у поверхности твердого тела вследствие взаимодействия молекул. Чтобы как-то количественно определить смачивание, вводится краевой угол. Это угол, образованный касательными к поверхностям твердого тела и жидкости в месте их контакта. Жидкость при этом должна оказаться внутри угла.

Если краевой угол острый – то жидкость называется смачивающей твердое тело, а если тупой – то несмачивающей. Если краевой угол равен нулю, то смачивание идеальное, угол, равный , соответствует идеальному несмачиванию.

Различие углов связано с межмолекулярным взаимодействием молекул жидкости и твердого тела: если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела больше, чем между молекулами жидкости друг к другу, то жидкость будет смачивающей. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем притягиваются молекулы жидкости к молекулам твердого тела – то жидкость будет несмачивающей.

Краевой угол

Из-за смачивания и несмачивания поверхность жидкости искривляется вблизи стенок сосуда, в котором находится жидкость. Если сам сосуд мал (его стенки близко друг к другу), то искривляется вся поверхность жидкости, принимая выпуклую (несмачивание)  или вогнутую (смачивание) форму.

Смачивающая и несмачивающая жидкости

Такие поверхности называются менисками, а узкие трубки – капиллярами. То, что поверхность искривляется, приводит к изменению давления, причем давление больше с вогнутой стороны мениска (той, где находится центр кривизны). Именно этим и объясняется подъем столбика смачивающей жидкости в капилляре и опускание столбика несмачивающей жидкости:

1. Величину этого избыточного давления можно определить по формуле Лапласа:
2. , где   и   – радиусы двух взаимно перпендикулярных  дуг, проведенных в данной точке поверхности.
3. Для сферической капли  и  
4. Для капилляров , где R – радиус капилляра,  – радиус кривизны мениска.
5. Для некоторых задач может пригодиться формула Юнга, которая определяет соотношение для коэффициентов поверхностного натяжения для поверхностей раздела фаз (lg – жидкость-газ, tl – твердое тело-жидкость, tg – твердое тело-газ): .
6. Попробуем решить пару задач?

1. Одно колено U – образной трубки имеет радиус r1 = 0,5 мм, а другое — r2 = 1 мм. Найти разность уровней воды в коленах. Коэффициент поверхностного натяжения воды σ = 0,073 Н/м. Смачивание полное.

Сила поверхностного натяжения должна уравновешивать вес столба жидкости в капилляре. Тогда вес жидкости , а сила поверхностного натяжения равна произведению периметра линии контакта (в нашем случае – окружность) на коэффициент поверхностного натяжения: . Здесь отсутствует косинус краевого угла, так как смачивание полное и угол этот равен нулю, а косинус нуля – 1. Получаем:

, выражаем высоту столба: . Вычисленная по этой формуле высота столба в капилляре радиусом 0,5 мм – 0, 0292 м, или 29,2 мм, а в капилляре 1 мм высота столба 0,0146 м, или 14,6 мм. Разница между высотой первого и второго составляет 14,6 мм.

Ответ: 14,6.

2. Трубка с внутренним диаметром d = 1 мм опущена в ртуть на глубину h = 5 мм. Найти краевой угол θ. Плотность и коэффициент поверхностного натяжения ртути равны: ρрт = 13,6 г/см3 и σрт = 0,47 Н/м.

Воспользуемся формулой из предыдущей задачи, единственное, что в ней изменим – добавим косинус краевого угла, так как смачивание здесь не полное. Вес ртути: ,а сила поверхностного натяжения равна произведению периметра линии контакта (окружность) на коэффициент поверхностного натяжения: . Отсюда:

• , а косинус краевого угла , , не забудем, что в формуле радиус, а нам дан диаметр.
• .
• Ответ: .

3.  Восемь шаровых капель ртути диаметром d = 1 мм каждая сливаются в одну каплю. Сколько при этом выделится тепла?

1. Найдем объем одной маленькой капли: куб. метров
2. Найдем площадь поверхности маленькой капли:   кв. метров
3. У восьми капель площадь поверхности  кв. метров
4. Теперь определим объем большой капли, он в восемь раз больше:  куб. метров
5. Радиус большой капли:  
6. Тогда радиус большой капли:   м

А ее поверхность:   кв. метров.

Таким образом, площадь изменилась на  кв. метров.

Чтобы изменить площадь поверхности жидкости (увеличить), надо произвести работу. Когда же площадь уменьшается, то выделяется энергия:  Дж.

Ответ:  Дж.

4. Найти радиус нижнего мениска в трубке с внутренним диаметром d = 0,59 мм, если высота h столбика воды в нём равна: а) 2,5 см; б) 5 см; в) 10 см. Смачивание полное.

Рассмотрим рисунок. Верхний мениск всегда будет вогнутым, давление, как мы знаем, в этом случае направлено вверх. Так как смачивание полное, то косинус краевого угла равен 1, а сам угол – нулю:

• Давление столба жидкости направлено вниз и равно: .
• В первом случае: .
• Во втором случае: .
• В третьем случае: .

Таким образом, в первом случае, когда , суммарное давление направлено вниз, и давление нижнего мениска, компенсируя его, должно быть направлено вверх, то есть он будет вогнутым. Во втором случае оба давления приблизительно равны: , так что нижний мениск будет плоским. В третьем случае , и суммарное давление направлено вниз, тогда мениск, компенсируя эту разницу, будет выпуклым.

1. Найдем разницу давлений в первом и третьем случаях (во втором она близка к нулю):
2. .
3. .
4. Определим теперь радиусы менисков:  ,  
5. В первом случае радиус , или 5,9 мм, вогнутый.
6. В третьем случае радиус , или 2,9 мм, выпуклый.

Источник: https://easy-physic.ru/poverhnostnoe-natyazhenie-kapillyarnye-yavleniya/

Смачивание и капиллярные явления

ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Жидкости — это вещества, которые сохраняют свой объем, но не име­ют постоянной формы, принимая форму сосуда, в котором находятся.

Сохранение объема жидкости показывает, что между ее молекулами действуют силы притяжения, а расстояние между молекулами меньше ра­диуса молекулярного взаимодействия.

Иными словами, в объеме, размеры которого меньше радиуса действия сил молекулярного взаимодействия, наблюдается упорядоченное, расположение молекул жидкости.

Однако в объеме с размерами больше радиуса взаимодействия сил молекулярного притяжения доминируют силы броуновского движения молекул, что при­водит к их хаотическому перемещению.

Таким образом, все пространство, занятое жидкостью, состоит как бы из множества зародышей кристаллов, которые, однако, неустойчивы, распадаются в одном месте, но снова воз­никают в другом. В этом смысле говорят, что в жидкости существует ближний порядок. По своим свойствам жидкости занимают промежуточ­ное положение между газами и твердыми телами.

Из явлений, связанных со свойствами жидкости, наиболее часто в технологических процессах имеют дело со смачиванием и капиллярными явлениями.

При контакте различных веществ с жидкостями наблюдаются раз­личной степени силовые и физико-химические взаимодействия.

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого вещества, то жидкость называют смачи­вающей это вещество. Если молекулы жидкости притягиваются друг к дру­гу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество.

В целом при контакте жидкости с поверхностью твердого тела можно выделить два предельных случая: поверхность твердого тела горизонталь­на, и поверхность твердого тела вертикальна.

Рассмотрим вариант с горизонтальной поверхностью.

При нанесении капли на твердую горизонтальную поверхность в ат­мосфере воздуха возникает периметр соприкосновения капли с поверхно­стью (периметр смачивания), в каждой точке которого сходятся силы по­верхностного натяжения на границе твердое тело — газ, твердое тело — жид­кость и жидкость — газ. Силы поверхностного натяжения действуют вдоль поверхности.

Произвольная точка периметра смачивания станет точкой приложения трех указанных сил (рис. 1.1). При этом сила поверхностного натяжения атг, действующая на границе раздела твердое тело — газ, может быть больше, равна или меньше силы поверхностного натяжения (более строго — межфазного натяжения) атж на границе твердое — жидкое.

В слу­чае, когда атж меньше, чем атт, система, продвигаясь к состоянию с мини­мумом свободной энергии, будет стремиться заменить поверхность с большим энергетическим потенциалом атт на поверхность раздела фаз с меньшим энергетическим потенциалом атж, т. е. капля начнет растекаться по твердой. поверхности, смачивать ее (рис.1.1,а).

Противоположная кар­тина сложится, если атг меньше атж(рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. Краевые углы для смачивающей (а) и несмачивающей (б) Жидкостей

• При достижении равновесия получим соотношение, называемое урав­нением Юнга:
• Стг = Стж + Сжг' Cos0,
• Где 0 — угол смачивания, образуемый каплей на поверхности твердого тела (измеряется со стороны жидкости).

Из рис. 1.1 следует, что при 0 < 90° жидкость смачивает, а при 0 > 90° не смачивает поверхность твердого тела (подложку). При полном смачива­нии cos 0 = 1, и жидкость растекается по поверхности твердого тела. Полу­чить на поверхности тела каплю при полном смачивании нельзя.

Полное несмачивание, т. е. краевой угол равный 180°, практически не встречается, так как между жидкостью и твердым телом всегда действуют силы притя­жения. Однако теоретически капля жидкости на горизонтальной поверхно­сти твердого тела в этом случае должна иметь форму шара.

Значения краевого угла, образуемого водой на поверхности различ­ных твердых тел, в воздушной атмосфере равны: кварц и кальцит — 0о, ма­лахит — 17о, пирит — (26…33)°, графит — (55…60)°, тальк — 69о, сера — 78о, парафин — 106°.

В узких трубках искривится вся свободная поверхность жидкости. При круглом сечении трубки эта поверхность представляет собой часть поверхности сферы, которая называется мениском.

У смачивающей жид­кости образуется вогнутый мениск, а у несмачивающей — выпуклый.

Рис. 1.2. Форма поверхности смачивающей (а) и несмачивающей (б) жидкостей и капиллярные явления в трубках

Так как площадь изогнутой поверхности мениска больше, чем пло­щадь внутреннего сечения трубки, то жидкость, стремясь к минимуму энергии, под действием молекулярных сил будет пытаться создать пло­скую поверхность.

Возникает дополнительное давление Р. При смачива­нии (вогнутый мениск) оно направлено от жидкости, а при несмачивании (выпуклый мениск) — внутрь жидкости. Величина этого давления опреде­лена французским ученым П.

Лапласом и потому его часто называют лап — ласовским.

При погружении узкой трубки в смачивающую жидкость лапласов — ское давление поднимает последнюю над ее уровнем в широком сосуде с плоским мениском.

При несмачивающей жидкости имеет место противо­положная картина (см. рис. 1.2).

Явления, обусловленные втягиванием или выталкиванием жидкости в капиллярах (трубки, диаметр которых соизме­рим с диаметром волоса), называются капиллярными явлениями.

1. Равновесная высота h подъема (опускания) жидкости в капилляре с радиусом r определяется по формуле
2. H = 2acos0/(pgr), (1.12)
3. Где а — поверхностное натяжение жидкости; p — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения.

Можно показать, что силы лапласовского давления не только подни­мают и опускают жидкость в тонких капиллярах, но и стремятся притянуть (смачивающая жидкость) или оттолкнуть (несмачивающая жидкость) твердые поверхности, в контакте с которыми находятся (частицы круглой формы, параллельные пластины и т. д.).

Явления смачивания и капиллярные явления играют большую роль в природе. По капиллярам растений поднимается влага из почвы, достигая всех его частей вплоть до вершины. По капиллярам почвы влага поднима­ется на ее поверхность, где испаряется, а земля иссушается.

В технике смачивание и капиллярные явления в ряде случаев также играют определяющую роль, например при сушке капиллярно-пористых тел (древесина, бетон, другие строительные материалы), при окомковании мелких руд и концентратов (капиллярные силы обеспечивают получение окатышей), при обогащении полезных ископаемых, где ряд методов осно­ван на различиях в смачиваемости компонентов руд, в процессах пропитки жидкостями различных твердых фаз, в частности огнеупоров — расплавами металлов и шлаков и т. д.

Классификация промышленных отходов (ПО), образующихся в ре­зультате производственной деятельности человека, необходима как сред­ство установления определенных связей между ними с целью определения оптимальных путей использования или обезвреживания отходов. Обобщение и анализ …

В практике абсорбции используются несколько принципиальных схем проведения процесса. Наиболее широко применяются прямоточная (рис. 4.7,а) и противоточная (рис. 4.7,б) схемы. Абсорбция G X Z, X н G Y Xк Б) …

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно — бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органи­ческих и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорга­низмов …

Источник: https://msd.com.ua/processy-inzhenernoj-zashhity-okruzhayushhej-sredy/smachivanie-i-kapillyarnye-yavleniya/

Презентация к уроку по физике (10 класс) на тему: ПРЕЗЕНТАЦИЯ к уроку " Смачивание. Капиллярность" | Социальная сеть работников образования

• Слайд 6
• Несмачивание Вода-парафин, ртуть-стекло Жидкость, собирающаяся в каплю, а не растекающаяся по поверхности твердого тела называется несмачивающей F ж-т < F ж Угол смачивания  > 90
• Слайд 7

Мениск- форма поверхности жидкости вблизи стенки сосуда. Угол смачивания — угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой. Для смачивающей жидкости θ — острый, для несмачивающей θ — тупой. При полном смачивании θ = 0, при полном несмачивании θ = 180°.

1. Слайд 8
2. На каком из рисунков жидкость смачивает поверхность твердого тела?
3. Слайд 9
4. Ртуть и вода
5. Слайд 10
6. Перемещение водомерок
7. Слайд 11
8. Водонепроницаемость листьев растений и крыльев насекомых
9. Слайд 12
10. «Гидроизоляция» водоплавающих птиц и животных
11. Слайд 13
12. Капиллярность греч. » капиллус » – волос Капилляр – трубка с узким каналом Капиллярность — явление подъема или опускания жидкости в капиллярах
13. Слайд 14

Капиллярные явления впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи ( XV век),затем Б.Паскалем ( XVII век) и Д.Жюреном ( XVIII век) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П.Лапласа, Т.Юнга, С.Пуассона, Дж.Гиббса и И.С.Громек и ( XIX век)

Слайд 15

Смачивающая жидкость образует в капилляре вогнутый мениск , так как сила притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела больше силы притяжения между молекулами жидкости. А несмачивающая жидкость образует в капилляре выпуклый мениск , поскольку сила притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела меньше силы притяжения между молекулами жидкости.

• Слайд 17
• Задача №1 РЕШЕНИЕ:
• Слайд 18

Корневая система растений оканчивается тончайшими нитями-капиллярами. И сама почва, источник питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек.

1. Слайд 19
2. Боронование и пахота
3. Слайд 20
4. Сразу после посева и посадки овощных растений почву начинайте неглубоко рыхлить.
5. Слайд 21
6. Грунтовые воды
7. Слайд 22
8. Капиллярная пропитка
9. Слайд 23
10. Капилляры на службе у человека
11. Слайд 24

ЗадАние «Найди пару». Понятие Определение 1.Смачивание А. Явление подъема или опускания жидкости в капилляре 2. Мениск Б. Узкий сосуд 3. Угол смачивания В. Форма поверхности жидкости вблизи стенки сосуда 4 . Капилляр Г.

Угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости, и стенкой 5. Капиллярность Д.

Искривление поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела

• Слайд 25
• Понятие Определение 1 Д 2 В 3 Г 4 Б 5 А ЗадАние «Найди пару».
• Слайд 26

Преобразование информации Вопросы для сравнения Смачивающая жидкость Несмачивающая жидкость 1.Условия 2. Примеры ( ж-тв.тело ) 3. Учет и использование 4. Мениск и угол смачивания 5. Характер капиллярности F т-ж > F ж F т-ж < F ж Вода - стекло Вода - парафин Покраска, стирка, пайка Гидроизоляция Подъем жидкости в капилляре Опускание жидкости в капилляре

Слайд 27

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ ЧИТАТЬ § 66 ВСЕМ РЕШИТЬ задачи №2 и №3 к §66 Дополнительно № 585, 587, 592, 593 из сборника Рымкевич А.П.

Слайд 28

Сегодня я узнал …… Я понял, что….. Меня удивило……. Урок дал мне для жизни……..

Источник: https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2018/10/15/prezentatsiya-k-uroku-smachivanie-kapillyarnost

Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение, смачивание и капиллярные явления

Физические свойства жидкостей

Текучесть

Основным свойством жидкостей является текучесть.

Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт.

Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести: достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.

Сохранение объёма

Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0 °C до приблизительно 4 °C.

Вязкость

Кроме того, жидкости (как и газы) характеризуются вязкостью. Она определяется как способность оказывать сопротивление перемещению одной из частей относительно другой — то есть как внутреннее трение.

Когда соседние слои жидкости движутся относительно друг друга, неизбежно происходит столкновение молекул дополнительно к тому, которое обусловлено тепловым движением. Возникают силы, затормаживающие упорядоченное движение. При этом кинетическая энергия упорядоченного движения переходит в тепловую — энергию хаотического движения молекул.

Жидкость в сосуде, приведённая в движение и предоставленная самой себе, постепенно остановится, но её температура повысится.

Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую — газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.

Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела — силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму — например, капли воды в невесомости.

• Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.
• Испарение и конденсация
• Испарение — постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар).

При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение.

Конденсация — обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости.

Испарение и конденсация — неравновесные процессы, они происходят до тех пор, пока не установится локальное равновесие (если установится), причём жидкость может полностью испариться, или же прийти в равновесие со своим паром, когда из жидкости выходит столько же молекул, сколько возвращается.

Кипение

Кипение — процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх.

Смачивание

Смачивание — поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз.

Смачивание характеризует «прилипание» жидкости к поверхности и растекание по ней (или, наоборот, отталкивание и нерастекание). Различают три случая: несмачивание, ограниченное смачивание и полное смачивание. Смачивание бывает двух видов:

1. Иммерсионное (вся поверхность твёрдого тела контактирует с жидкостью)
2. Контактное (состоит из трёх фаз — твердая, жидкая, газообразная)
3. Смачивание зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).
4. Если жидкость контактирует с твёрдым телом, то существуют две возможности:

молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают её в капельку. Так ведёт себя ртуть на стекле, вода на парафине или «жирной» поверхности. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность;

молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твёрдого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. Так ведёт себя ртуть на цинковой пластине, вода на чистом стекле или дереве. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность.

Смешиваемость

Смешиваемость — способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.

Диффузия

Перегрев и переохлаждение

Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи.

Переохлаждение — охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние. Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.

Волны плотности

Хотя жидкость чрезвычайно трудно сжать, тем не менее, при изменении давления её объем и плотность всё же меняются.

Это происходит не мгновенно; так, если сжимается один участок, то на другие участки такое сжатие передаётся с запаздыванием.

Это означает, что внутри жидкости способны распространяться упругие волны, более конкретно, волны плотности. Вместе с плотностью меняются и другие физические величины, например, температура.

Если при распространении волны́ плотность меняется достаточно слабо, такая волна называется звуковой волной, или звуком.

Если плотность меняется достаточно сильно, то такая волна называется ударной волной. Ударная волна описывается другими уравнениями.

Упругие волны в жидкости со временем затухают, их энергия постепенно переходит в тепловую энергию. Причины затухания — вязкость, «классическое поглощение», молекулярная релаксация и другие. При этом работает так называемая вторая, или объёмная вязкость — внутреннее трение при изменении плотности. Ударная волна в результате затухания через какое-то время переходит в звуковую.

Упругие волны в жидкости подвержены также рассеянию на неоднородностях, возникающих в результате хаотического теплового движения молекул.

Волны на поверхности

Если сместить участок поверхность жидкости от положения равновесия, то под действием возвращающих сил поверхность начинает двигаться обратно к равновесному положению. Это движение, однако, не останавливается, а превращается в колебательное движение около равновесного положения и распространяется на другие участки. Так возникают волны на поверхности жидкости.

Если возвращающая сила — это преимущественно силы тяжести, то такие волны называются гравитационными волнами (не путать с волнами гравитации). Гравитационные волны на воде можно видеть повсеместно.

• Если возвращающая сила — это преимущественно сила поверхностного натяжения, то такие волны называются капиллярными.
• Если эти силы сопоставимы, такие волны называются капиллярно-гравитационными.
• Волны на поверхности жидкости затухают под действием вязкости и других факторов.
• Сосуществование с другими фазами

Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества — газообразной или кристаллической — нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура.

Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием — например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом).

Это объясняется следующими причинами.

— Неравновесное состояние. Для испарения жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе постоянно происходит испарение воды, также как и обратный процесс — конденсация.

— Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного испарения жидкости, если её количество было достаточно велико.

При достижении состояния насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие.

— Присутствие атмосферы в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное давление (воздух и пар), тогда как для пара должно учитываться практически только его парциальное давление.

Поэтому жидкости и пару над её поверхностью соответствуют разные точки на фазовой диаграмме, в области существования жидкой фазы и в области существования газообразной соответственно.

Это не отменяет испарения, но на испарение нужно время, в течение которого обе фазы сосуществуют. Без этого условия жидкости вскипали бы и испарялись очень быстро.

капиллярный эффект — физическое явление, заключающееся в способности жидкостей изменять уровень в трубках, узких каналах произвольной формы, пористых телах.

В поле тяжести (или сил инерции, например при центрифугировании пористых образцов) поднятие жидкости происходит в случаях смачивания каналов жидкостями, например воды в стеклянных трубках, песке, грунте и т. п.

Понижение жидкости происходит в трубках и каналах, не смачиваемых жидкостью, например ртуть в стеклянной трубке.



Источник: https://infopedia.su/8×11991.html

Смачивание Капиллярность 10 класс. Цели урока: Познакомиться с явлениями смачивания и капиллярности Познакомиться с явлениями смачивания и капиллярности. — презентация

1 Смачивание Капиллярность 10 класс

2 Цели урока: Познакомиться с явлениями смачивания и капиллярности Познакомиться с явлениями смачивания и капиллярности Объяснить эти явления, используя знания о молекулярном строении вещества Объяснить эти явления, используя знания о молекулярном строении вещества Смачивание и капиллярность в природе и технике Смачивание и капиллярность в природе и технике

3 Тест 1. Поверхностное натяжение возникает в результате того, что потенциальная энергия поверхностных молекул жидкости … энергии молекул внутри жидкости А.больше кинетической Б.больше потенциальной А.больше кинетической Б.больше потенциальной В.меньше потенциальной Г.меньше кинетической В.

меньше потенциальной Г.меньше кинетической 2. Энергия поверхностного слоя жидкости зависит … А.только от плотности жидкости А.только от плотности жидкости Б.только от площади поверхности жидкости Б.только от площади поверхности жидкости В.от занимаемого объема В.от занимаемого объема Г.

Что произойдет с коэффициентом поверхностного натяжения мыльного раствора, если мыльный пузырь увеличит свой диаметр? А.увеличится Б. уменьшится В.не изменится Г. Среди ответов 1-3 нет правильного 5. Что произойдет с поверхностным натяжением жидкости при ее нагревании? А.увеличится Б. уменьшится В.

не изменится Г. Среди ответов 1-3 нет правильного

4 Ответы: 1. Б 2. Г 3. А 4. В 5. Б

5 Смачивание Жидкость, которая растекается тонкой пленкой по поверхности твердого тела называется смачивающей Fж-т > Fж Угол смачивания

6 Несмачивание Жидкость, собирающаяся в каплю, а не растекающаяся по поверхности твердого тела называется несмачивающей Fж-т < Fж Угол смачивания > 90 Вода-парафин, ртуть-стекло

7 Смачиваемость – явление искривления поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела Угол смачивания – угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости и стенкой, во внутрь жидкости.

Мениск – форма поверхности жидкости вблизи стенки сосуда или между близко расположенными твердыми стенками Смачиваемость – явление искривления поверхности жидкости у поверхности твердого тела в результате взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела Угол смачивания – угол между плоскостью, касательной к поверхности жидкости и стенкой, во внутрь жидкости.

Мениск – форма поверхности жидкости вблизи стенки сосуда или между близко расположенными твердыми стенками

• 8 Мениски
• 9 На каком из рисунков жидкость смачивает поверхность твердого тела?
• 10 Ртуть и вода

11 Капиллярные явления впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи (XV век),затем Б.Паскалем(XVII век) и Д.Жюреном (XVIII век) в опытах с капиллярными трубками. Теория капиллярных явлений развита в работах П.Лапласа, Т.Юнга, С.Пуассона, Дж.Гиббса и И.С.Громеки (XIX век)

1. 12 Капиллярность Капилляр – трубка с узким каналом Капиллярность- явление подъема или опускания жидкости в капиллярах
2. 13 Высота подъема жидкости в капиллярах h = 2 gR
3. 14 Капилляры
4. 15 Клин

16 Смачивание и капиллярность в природе и технике Флотация-технологический процесс обогащения руд. Флотация-технологический процесс обогащения руд. Моющее действие мыла. Моющее действие мыла. Зонты, плащи, непромокаемые ткани.

Зонты, плащи, непромокаемые ткани. Капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в процессах химической технологии. Капиллярная пропитка различных материалов широко применяется в процессах химической технологии.

• 17 Перемещение береговых пауков и водомерок Перемещение береговых пауков и водомерок Водонепроницаемость сена в стогах, соломенных крыш, листьев растений Водонепроницаемость сена в стогах, соломенных крыш, листьев растений «гидроизоляция» водоплавающих птиц «гидроизоляция» водоплавающих птиц Водоснабжение растений Водоснабжение растений Передвижение влаги в почве и других пористых телах Передвижение влаги в почве и других пористых телах
• 18 Перемещение водомерок
• 19 Водонепроницаемость листьев растений и крыльев насекомых
• 20 «Гидроизоляция» водоплавающих птиц и животных
• 21 Боронование и пахота
• 22 Капиллярная пропитка
• 23 Капилляры на службе у человека

24 Домашнее задание §65 §65 Задачи: 1. Как пронести воду в решете? 2. Можно ли выйти из воды 2. Можно ли выйти из воды сухим? сухим? 3. Почему мокрые руки плохо 3. Почему мокрые руки плохо вытираются шерстяной или вытираются шерстяной или шелковой тканью? шелковой тканью?

Источник: http://www.myshared.ru/slide/1239256/