Капиллярные явления. Давление под искривленной поверхностью жидкости

Давление под искривленной поверхностью жидкости

Если поверхность жидкости не плоская, а искривленная, то она оказывает на жидкость избыточное давление. Это давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, для выпуклой поверхности положительно, а для вогнутой поверхности – отрицательно.

Избыточное давление на жидкость, создаваемое силами поверхностного натяжения и обусловленное кривизной поверхности радиусом R:

Δ р =2 σ / R (9.8, а)

Если поверхность жидкости вогнутая, то можно доказать, что результирующая сила поверхностного натяжения направлена из жидкости и равна

Δ р= -2 σ/R. (9.8, б)

Формулы (9.8 а и 9.8 б) являются частным случаем формулы Лапласа, определяющей избыточное давление для произвольной поверхности жидкости двоякой кривизны:

Δ р =σ(1/ R ₁+1/ R ₂), (9.9)

где R ₁ и R ₂ — радиусы кривизны двух любых взаимно-перпендикулярных нормальных сечений поверхности жидкости в данной точке. Радиус кривизны положителен, если центр кривизны соответствующего сечения находится внутри жидкости, и отрицателен, если центр кривизны находится вне жидкости.

Если поместить узкую трубку(капилляр) радиусом r одним концом в жидкость, налитую в широкий сосуд, то вследствие смачивания или несмачивания жидкостью стенок капилляра кривизна поверхности жидкости в капилляре становится значительной. Если жидкость смачивает материал трубки, то мениск, радиусом R имеет вогнутую форму, если не смачивает – выпуклую.

Под вогнутой поверхностью жидкости появится отрицательное избыточное давление, определяемое по выше приведенной формуле. Наличие этого давления приводит к тому, что жидкость в капилляре поднимается, так как под плоской поверхностью жидкости в широком сосуде избыточного давления нет. Если же жидкость не смачивает стенки капилляра, то положительное избыточное давление приведет к опусканию жидкости в капилляре. Явление изменения высоты уровня жидкости в капиллярах называется капиллярностью. Жидкость в капилляре поднимается или опускается на такую высоту h, при которой давление столба жидкости (гидростатическое давление) ρgh уравновешивается избыточным давлением Δ p, т.е.

2 σ/R=ρgh, (9.10)

где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения

Если r – радиус капилляра, θ – краевой угол, то из рис.7.8 следует, что (2 σ cos θ)/ r = ρgh, откуда

h= (2 σ cos θ) / (ρgr). (9.11)

В соответствии с тем, что смачивающая жидкость по капилляру поднимается, а несмачивающая – опускается, из последней формулы при θ <π/2 (cos θ >0) получим положительные значения h, а при θ > π/2

Рис.9.3 (cosθ<0) – отрицательные. Из этого выражения видно также, что высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре обратно пропорциональна его радиусу.

В тонких капиллярах жидкость поднимается достаточно высоко. Так, при полном смачивании (θ =0) вода (ρ=1000 кг/м³, σ =0,073 Н/м) в капилляре диаметром 10 мкм поднимается на высоту h =3м.

Капиллярные явления играют большую роль в технике, в частности, в строительстве. Например, влагообмен в почве и пористых строительных материалах осуществляется за счет поднятия воды по тончайшим капиллярам. Поэтому важно принять специальные меры по гидроизоляции строительных конструкций в местах с высоким стоянием грунтовых вод. На капиллярности основано впитывание влаги деревянными элементами, поэтому их предварительно пропитывают влагостойкими жидкостями (олифа, эпоксидные смолы, продукты нефтепереработки), покрывают красками и лаками.

Электричество и магнетизм

Дата добавления: 2014-12-08