Fenomene capilare din tuburi cu diametru mic - Știința Solului
Umezirea fenomen, așa cum sa menționat deja, cauzată de curbura suprafeței lichidului la pereții vasului în care este turnat. Dacă nava are un diametru suficient de mare, partea principală, centrală a suprafeței apei din vas rămâne plat și numai marginea curbată a acestuia. Dacă diametrul vasului este atât de mică încât este proporțională cu raza de curbură a marginii curbate a suprafeței peretelui de apă, aceste margini curbate fuzionează și formează meniscului - concavă cu o bună umezire (# 952; ≤90 °) și convex cu umectare slabă (# 952; ≥90 °). Deoarece raza de curbură este de obicei foarte mici, formarea meniscul poate avea loc în tuburi sau fante, cu doar un diametru foarte mic. Practic limita superioară a diametrului tuburilor în care observată formarea de meniscuri, măsurat câțiva milimetri. Cu cat diametrul tubului, cu atat mai mare curbura meniscului m. E. Raza de curbură mai mică.
Raza de curbură a meniscului și raza tubului se află în următoarea relație. Raza de curbură a OB meniscului „este notat cu R, prin centrul de curbură O, prin raza tubului r. Linia AB „- tangențial la suprafața meniscului la punctul B“ și, prin urmare, unghiul 0 este unghiul de umectare (Figura 10.). Figura arată că unghiul SV'O de asemenea, egal cu 0, deci
În cazul umezirea completă # 952 = 0 și R = r. După cum știm, curbura suprafeței conduce la o schimbare în valoarea presiunii de suprafață, reducându-l în formarea unei meniscului concav, și creșterea formarea unei convexe.
Reducerea presiunii de suprafață în meniscul concav are ca efect creșterea apei în tuburi subțiri, cu un capăt coborât într-un vas mare cu apă. Această ridicare se numește un capilar. Mecanismul său este după cum urmează. Ne picătură într-un recipient de sticlă capilar de apă (Fig. 11). Diametrul vasului este atât de mare încât suprafața apei în ea este complet plat. La intrarea în peretele capilar, care sunt bine udate, apa formează un menisc concav în ea. După cum știm deja, presiunea pe suprafață în cadrul acestei meniscul este mai mică decât în mod normal. Dacă r - raza capilarului, o R - raza de curbură a meniscului,
Să presupunem că capilar are o formă cilindrică și meniscului aceeași curbură în toate direcțiile. Bazat formula Laplace au:
unde P1 - presiunea de suprafață într-un tub capilar îngust.
Această diferență este „presiune negativa“, care este creat de formarea meniscului. Presiunea pe suprafață în exces în vasul (P0) al presiunii capilare (P1) «presează“ apa în capilar. Creșterea de apă va avea loc atâta timp cât presiunea hidrostatică din coloana capilară formată din apă echilibrează diferența de presiune de suprafață sub o suprafață plană de apă în vasul exterior și pentru a meniscului în capilar. Notând înălțimea coloanei prin H, densitatea apei prin d, presiunea hidrostatică a coloanei prin Q și accelerația gravitației prin g, descoperim că Q-HDG dyne / cm2.
Este evident că
Dacă umezirea completă și densitatea apei egal cu unitatea,
Astfel, înălțimea de creștere a apei în tubul capilar este invers proporțională cu raza capilar (legea Zhyurena), după cum vom vedea în Fig. 11, în cazul în care înălțimea de creștere a apei într-un tub capilar îngust este mult mai mare decât într-o largă.
Substituind valorile numerice doar g și cu formula derivată # 945; (G = 981 cm / s2 și # 945 = 74 dyne / cm), avem:
în cazul în care vom obține formula Zhyurena:
unde H - înălțimea de creștere capilară, a se vedea,
r - raza capilarului, a se vedea,
d - diametrul capilar, cm.
Pentru a rezuma ceea ce a fost spus despre mișcarea capilară a apei, inclusiv creșterea capilară, care se va întâlni în viitor, vom vedea că mișcarea capilară stărilor de apă și de echilibru capilare sunt datorate fenomenului de presiune de suprafață, cantitatea de care variază în funcție de forma suprafeței apă. Forma suprafața apei este determinată de higroscopicitatea corpului solid și diametrul tubului capilar.
Să luăm în considerare anumite cazuri speciale ale fenomenelor capilare.
Imaginati-un capilar cilindric izolat, în care putem intra treptat apa din partea de sus, precum și formarea de bule de aer este posibilă. La un moment dat inițial într-o coloană capilară de apă formată înălțime mică (Fig. 12a). Luați în considerare condițiile de echilibru ale coloanei. Acesta va fi sub acțiunea trei forțe: forța de gravitație îndreptată în jos, presiunea P1 a suprafeței superioare a meniscului este îndreptat în jos, iar meniscul P2 presiune suprafață inferioară în sus. Lăsați înălțimea coloanei prin h (cm), densitatea apei prin d și raza capilarului prin r (în cm). coloana Greutate va fi egală cu
și q este presiunea exercitată de gravitație asupra 1 cm2:
sau q - dyn / cm2 HDG, unde g - accelerația gravitațională cm / s2.
Condiția de echilibru impune ca
Conform ecuației lui Laplace dacă tubul capilar are o formă cilindrică,
și în care R2 - raza de curbură a meniscuri superioare și inferioare.
Prin introducerea acestor expresii în ecuația precedentă, obținem:
Astfel, stabilim că această stare de echilibru a coloanei de apă, așa cum au fost suspendate în tubul capilar este curbura neuniformă a meniscuri superioare și inferioare. Este evident că meniscul superioare trebuie să aibă o mai mare curbură, iar în partea de jos - de jos. Diferența rezultată dintre presiunile de suprafață dirijate de jos în sus, este de a echilibra forța gravitației îndreptată în jos.
Dacă vom continua să intre în apă, în capilară noastră, înălțimea tot mai mare a coloanei de apă valoare h HDG în ecuația va crește, de asemenea. Condițiile de echilibru necesită și o creștere de o asemenea magnitudine, care este situat pe partea dreaptă a ecuației:
Este o valoare constantă; Valoarea R1 (raza de curbura meniscului de sus) sunt, de asemenea, constantă și egală cu:
unde # 952; - unghiul de contact. Prin urmare, partea dreaptă a ecuației poate fi mărită doar prin reducerea mărimii 1 / R2, și, în consecință, creșterea R. valorii
Cu alte cuvinte, curbura meniscului inferioare cu creșterea înălțimii coloanei de apă va fi redusă, prin care suprafața va crește presiunea la o presiune constantă de suprafață a părții superioare a meniscului. În cele din urmă, va veni un timp indicat în Fig. 12 scrisoare în care meniscului inferioare vor deveni plat. În acest moment, este evident
Este ușor de înțeles că înălțimea coloanei în tubul capilar în timp ce face egală cu înălțimea de creștere capilară atunci când scufundat capăt al tubului capilar cu aceeași rază într-un vas cu o suprafață plană de apă.
Odată cu creșterea în continuare a înălțimii h a baza coloanei ia meniscul are o formă convexă și valoarea R2 vor deveni disponibile în virtutea unor condiții pozitive. Ecuația devine:
ca în Fig. 12 corespunde d și e. Curbura jos a meniscului este mărită la până la formarea capătul picăturii capilar nu se desprinde și se încadrează în jos. Acest punct va corespunde cu valoarea maximă a înălțimii coloanei.
Un alt caz special al fenomenelor capilare cu care trebuie să le îndeplinească, prezentate schematic în Fig. 13. În acest caz, punctul de contact între două particule (în figură acestea sunt prezentate sferica) format grup izolat de apă reținută de forțe capilare. Suprafața laterală a acestui cluster are o curbură dublă, care se măsoară prin raze r1 și r2. Curbura, caracterizată printr-o rază r1, este convexă, adică pozitiv, și raza de curbură măsurate -.... concava r2, adică negativ. Toată curbura acestei suprafețe este măsurată, astfel valoarea 1 / r1-1 / r2, iar presiunea de suprafață la acea suprafață a ecuației Laplace este:
Experiența și calculele arată că r2 este întotdeauna mai mic decât r1. Prin urmare, cantitatea în paranteze, întotdeauna negative, iar presiunea de suprafață este, prin urmare, mai mică decât în mod normal. O astfel de acumulare de apă este rezistent la o anumită dimensiune, dincolo de care presiunea apei depășește diferența normală între presiunea de suprafață și presiunea existentă în acest grup, iar excesul de apa este drenată departe.
O astfel de retenție de apă separată numită acumulare cap la cap, deoarece este format la intersecția dintre cele două particule.