КАПІЛЯРНІ ЯВИЩА

Поверхневий натяг порівняно легко визначається експериментально. Існують різні методи визначення поверхневого натягу, які діляться на статичні, полустатічсскіс і динамічні. Статичні методи засновані на капілярних явищах, пов'язаних з викривленням поверхні розділу фаз.

З появою кривизни поверхні між фазами змінюється внутрішній тиск тіла і виникає додаткове (капілярний) тиск Лапласа Р, яке може збільшувати або зменшувати внутрішнє тиск, характерне для рівній поверхні. Це додатковий тиск можна уявити як рівнодіюча сил поверхневого натягу, спрямовану в центр кривизни перпендикулярно поверхні. Кривизна може бути позитивною і негативною (рис. 2.2).

Схема освіти додаткового тиску для поверхні з позитивною (а) і негативною (б) кривизною

Мал. 2.2. Схема освіти додаткового тиску для поверхні з позитивною (а) і негативною (б) кривизною

Зміна обсягу рідини відбувається в результаті самовільного зменшення поверхневої енергії і перетворення її в механічну енергію зміни обсягу тіла. При цьому в рівнянні (2.2) для енергії Гельмгольца при постійних Т, n, q слід розглядати тільки два доданків dF = -pdV + ods . При рівновазі dF = 0, тому pdV = ods . У цьому виразі р = Р - додатковий тиск (тиск Лапласа), що дорівнює різниці тисків між тиском тіла з плоскою і зігнутої поверхнями (АР):

Ставлення називається кривизною поверхні.

Для сферичної поверхні . Підставляючи цей вираз

в рівняння для додаткового тиску, отримуємо рівняння Лапласа:

в якому г - радіус кривизни; - кривизна або дисперсність (рис. 2.3).

Якщо поверхня має неправильну форму, використовують уявлення про середню кривизну і рівняння Лапласа має вигляд

де Гр / * 2 - головні радіуси кривизни.

Капілярний підняття рідини при змочуванні (а) і несмачіванія (о) стінок капіляра

Мал. 2.3. Капілярний підняття рідини при змочуванні (а) і несмачіванія (о) стінок капіляра

Для поверхневого натягнення рівняння Лапласа можна переписати у вигляді , що показує пропорційність поверхневого

натягу радіусу капіляра г і тиску Р, при якому відбувається проскакування газового бульбашки з капіляра, опущеного в рідину. Саме на цій пропорційності заснований метод експериментального визначення поверхневого натягу Ребиндера.

У методі Ребиндера вимірюється тиск, при якому відбувається проскакування газового бульбашки з капіляра, опущеного рідина. У момент проскакування бульбашки вимірюється тиск дорівнюватиме капілярному, в радіус кривизни поверхні - радіусу капіляра. Під час експерименту радіус капіляра виміряти практично неможливо, тому проводять відносні вимірювання: визначають тиск в газовому бульбашці, проскакує через рідину з відомим поверхневий натяг (цю рідину називають стандартною), а потім - тиск Р в газовому бульбашці, проскакує через рідину з визначеним поверхневий натяг. Як стандартна рідини зазвичай використовується дистильована вода, а для точних вимірювань - бідистилят.

Ставлення поверхневого натягу стандартної рідини до тиску в бульбашці, який через неї проскакує, називають константою

капіляра . При відомій величині поверхневого натягу

0 і виміряних тисках і Р для стандартної і досліджуваної рідини поверхневий натяг останньої визначається основною розрахунковою формулою даного методу:

Якщо значення відомо з високою точністю, то величина поверхневого натягу визначається рідини теж буде точною. Метод Ребиндера дає точність визначення поверхневого натягу до 0,01 мДж / м 2 .

При використанні методу підняття вимірюють висоту підняття (або опускання) рідини в капілярі і порівнюють сс з висотою підняття стандартної рідини, у якій поверхневий натяг відомо (рис. 2.4).

Зв'язок висоти капілярного підняття з параметрами капіляра і рідини

Мал. 2.4. Зв'язок висоти капілярного підняття з параметрами капіляра і рідини

Причина капілярного підняття полягає в тому, що рідина, змочуючи стінки капіляра, утворює певну кривизну поверхні, а що виникає при цьому капілярний тиск Лапласа піднімає рідина в капілярі до тих пір, поки вага стовпа рідини не врівноважить діючу силу. Підняття рідини в капілярі спостерігається тоді, коли кривизна поверхні рідини негативна. При увігнутому меніску тиск Лапласа прагне розтягнути рідина і піднімає її, таке капілярний підняття називається позитивним, воно характерно для рідин, які змочують стінки капіляра (наприклад, в системі скло - вода). Навпаки, якщо кривизна поверхні позитивна (опуклий меніск), то додатковий тиск прагне стиснути рідину і спостерігається її опускання в капілярі, яке називають негативним капілярним підйомом. Подібне явище характерне для випадків несмачіванія рідиною стінок капіляра (наприклад, в системі скло - ртуть).

Судячи але рис. 2.4. змочування впливає на геометрію поверхні і якщо г - радіус кривизни, то радіус самого капіляра R пов'язаний з ним співвідношенням

де в - крайовий кут змочування (гострий за умови змочування рідиною стінок капіляра). З останнього співвідношення випливає, що

. Підставляючи це співвідношення в рівняння (2.4), отримуємо

Якщо врахувати, що тиск стовпа рідини в рівнянні pdV = ods пов'язано з його висотою як mgh = V (pp ^) gh, можна отримати співвідношення і далі формулу Жюрена:

де h - висота підняття рідини в капілярі; р - щільність рідини; p s - щільність її насиченої пари; g - прискорення вільного падіння.

За умови, що щільність рідини р і щільність її насиченої пари p s непорівнянні » p s ) для поверхневого натягу можна записати

У більш спрощеною формулою передбачається ще й повне змочування стінок посудини рідиною (cos в = 1):

^ _ 2 (7

gR (p-Ps) '

При практичному використанні методу обчислення поверхневого натягу виробляють за формулою

де і h - висота підняття в капілярі стандартної і досліджуваної рідин; р ^ і р - їх щільності.

Використовувати цей метод як точний можна за умови cos в - const , краще в = 0 °, що для багатьох рідин прийнятно без додаткових умов. В експерименті необхідно використовувати тонкі капіляри, добре змочуються рідиною. Метод капілярного підняття також може дати високу точність визначення поверхневого натягу, до 0,01-0,1 мДж / м

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >