Wenn Sie gerne Cocktails oder andere Getränke aus einem Strohhalm trinken, ist Ihnen wahrscheinlich aufgefallen, dass, wenn eines seiner Enden in eine Flüssigkeit abgesenkt wird, der Stand des Getränks darin etwas höher ist als in einer Tasse oder einem Glas. Warum passiert dies? Normalerweise denken die Leute nicht darüber nach. Aber Physiker können solche Phänomene schon lange gut studieren und haben ihnen sogar einen eigenen Namen gegeben - Kapillarphänomene. Wir sind an der Reihe, herauszufinden, warum dies geschieht und wie dieses Phänomen erklärt wird.

Warum Kapillaren auftreten

In der Natur hat alles, was passiert, eine vernünftige Erklärung. Wenn die Flüssigkeit benetzt ist (z. B. Wasser in einem Plastikröhrchen), steigt sie das Röhrchen hinauf, und wenn sie nicht benetzt ist (z. B. Quecksilber in einem Glasfläschchen), fällt sie herunter. Außerdem steigt oder fällt die Flüssigkeit um so höher, je kleiner der Radius einer solchen Kapillare ist. Was erklärt solche Kapillarphänomene? Die Physik sagt, dass sie durch Krafteinwirkung entstehen.Wenn Sie sich die Oberflächenschicht der Flüssigkeit in der Kapillare genau ansehen, werden Sie feststellen, dass sie in ihrer Form eine Art Kreis ist. Entlang seiner Grenze an den Wänden des Tubulus übt die sogenannte Oberflächenspannung aus. Außerdem ist sein Richtungsvektor bei einer benetzenden Flüssigkeit nach unten und bei einer nicht benetzenden Flüssigkeit nach oben gerichtet.

Gemäß dem dritten verursacht es unvermeidlich einen Gegendruck, der ihm im Modul entspricht. Dadurch steigt oder fällt die Flüssigkeit in einem engen Rohr. Dies erklärt alle Arten von Kapillarphänomenen. Sicherlich hatten viele bereits eine logische Frage: „Und wann hört das Steigen oder Sinken der Flüssigkeit auf?“ Dies geschieht, wenn die Schwerkraft oder die Archimedes-Kraft die Kraft ausgleicht, die die Flüssigkeit dazu bringt, sich entlang des Rohrs zu bewegen.

Wie können Kapillarphänomene genutzt werden?

Eine der Anwendungen dieses in der Schreibwarenherstellung weit verbreiteten Phänomens ist fast jedem Studenten oder Schüler bekannt. Sie haben wahrscheinlich schon erraten, wovon wir sprechen

Sein Gerät ermöglicht es Ihnen, in fast jeder Position zu schreiben, und eine dünne und klare Markierung auf Papier hat dieses Thema bei der Schreibgemeinschaft seit langem sehr beliebt gemacht. auch in der Landwirtschaft weit verbreitet, um Bewegungen zu kontrollieren und Feuchtigkeit im Boden zu halten. Wie Sie wissen, hat das Land, auf dem Getreide angebaut wird, eine lockere Struktur, in der es enge Lücken zwischen den einzelnen Partikeln gibt. Tatsächlich sind es nichts als Kapillaren. Durch sie dringt Wasser in das Wurzelsystem ein und versorgt die Pflanzen mit der notwendigen Feuchtigkeit und nützlichen Salzen. Auf diesen Wegen steigt jedoch auch Bodenwasser auf und verdunstet ziemlich schnell. Um diesen Prozess zu verhindern, sollten Kapillaren zerstört werden. Aus diesem Grund wird der Boden gelockert. Und manchmal tritt die umgekehrte Situation auf, wenn es notwendig ist, die Wasserbewegung durch die Kapillaren zu erhöhen. In diesem Fall wird der Boden heruntergerollt, wodurch die Anzahl der engen Kanäle zunimmt. Im Alltag werden Kapillarphänomene unter verschiedenen Umständen genutzt. Die Verwendung von Löschpapier, Handtüchern und Servietten, die Verwendung von Dochten in und in der Technik - all dies ist möglich, weil in ihrer Zusammensetzung lange, schmale Kanäle vorhanden sind.

Absichtserklärung "Lyzeum Nr. 43"

(natürlich-technisch)

KAPILLARE PHÄNOMENE
Roschkow Dmitri

Saransk

2013
Inhaltsverzeichnis

Literaturrecherche 3

Eigenschaften von Flüssigkeiten. Oberflächenspannung 3

Plateauerlebnis 6

Phänomene der Benetzung und Nichtbenetzung. Kantenwinkel. 7

Kapillarphänomene in Natur und Technik 8

Blutgefäße 10

Schaum im Dienste des Menschen 11

Praktischer Teil 11

"Untersuchung der Kapillareigenschaften verschiedener Proben von porösem Papier" 11

Ergebnisse und Schlussfolgerungen 13

Referenzen 13

Literaturische Rezension

Kapillarphänomene sind physikalische Phänomene, die durch Oberflächenspannung an der Grenzfläche nicht mischbarer Medien verursacht werden. Solche Phänomene umfassen normalerweise Phänomene in flüssigen Medien, die durch die Krümmung ihrer Oberfläche verursacht werden, die an eine andere Flüssigkeit, ein Gas oder einen eigenen Dampf grenzt.

Kapillarphänomene umfassen verschiedene Fälle von Gleichgewicht und Bewegung der Flüssigkeitsoberfläche unter Einwirkung von intermolekularen Wechselwirkungskräften und äußeren Kräften (hauptsächlich Schwerkraft). Im einfachsten Fall, wenn äußere Kräfte fehlen oder kompensiert werden, ist die Flüssigkeitsoberfläche immer gekrümmt. Unter Bedingungen der Schwerelosigkeit nimmt also ein begrenztes Flüssigkeitsvolumen, das nicht mit anderen Körpern in Kontakt kommt, unter der Wirkung der Oberflächenspannung die Form einer Kugel an. Diese Form entspricht einem stabilen Gleichgewicht der Flüssigkeit, da die Kugel bei gegebenem Volumen eine minimale Oberfläche hat und daher die Oberflächenenergie der Flüssigkeit in diesem Fall minimal ist. Die Flüssigkeit nimmt die Form einer Kugel an, auch wenn sie sich in einer anderen Flüssigkeit gleicher Dichte befindet (die Wirkung der Schwerkraft wird durch die archimedische Auftriebskraft kompensiert).

Die Eigenschaften von Systemen, die aus vielen kleinen Tröpfchen oder Bläschen bestehen (Emulsionen, Flüssigkeitsaerosole, Schäume) und die Bedingungen ihrer Entstehung werden maßgeblich durch die Krümmung der Partikeloberfläche, also durch Kapillarphänomene, bestimmt. Kapillarphänomene spielen eine ebenso wichtige Rolle bei der Bildung einer neuen Phase: Flüssigkeitströpfchen während der Dampfkondensation, Dampfblasen beim Flüssigkeitssieden und Festphasenkeime während der Kristallisation.

Wenn eine Flüssigkeit mit Feststoffen in Kontakt kommt, wird die Form ihrer Oberfläche erheblich durch Benetzungsphänomene aufgrund der Wechselwirkung von Flüssigkeits- und Feststoffmolekülen beeinflusst.

Die kapillare Absorption spielt eine wesentliche Rolle bei der Wasserversorgung von Pflanzen, dem Transport von Feuchtigkeit in Böden und anderen porösen Körpern. Die Kapillarimprägnierung verschiedener Materialien wird in chemischen Verfahrenstechniken weithin verwendet.

Die Krümmung der freien Oberfläche einer Flüssigkeit unter Einwirkung äußerer Kräfte führt zur Entstehung sogenannter Kapillarwellen („Wellen“ auf der Flüssigkeitsoberfläche). Kapillarphänomene bei der Bewegung von Flüssigkeitsgrenzflächen werden von der physikalisch-chemischen Hydrodynamik berücksichtigt.

Kapillarphänomene wurden zuerst von Leonardo da Vinci, B. Pascal (17. Jahrhundert) und J. Zhuren (Dzhurin, 18. Jahrhundert) in Experimenten mit Kapillarröhrchen entdeckt und untersucht. Die Theorie der Kapillarphänomene wurde in den Arbeiten von P. Laplace (1806), T. Young (Young, 1805), J.W. Gibbs (1875) und I.S. Gromeki (1879, 1886).

Eigenschaften von Flüssigkeiten. Oberflächenspannung

Moleküle einer Substanz in flüssigem Zustand befinden sich fast nahe beieinander. Im Gegensatz zu festen kristallinen Körpern, in denen Moleküle im gesamten Volumen des Kristalls geordnete Strukturen bilden und thermische Schwingungen um feste Zentren ausführen können, haben flüssige Moleküle eine größere Freiheit. Jedes Molekül einer Flüssigkeit, wie auch in einem Festkörper, wird allseitig von benachbarten Molekülen „eingespannt“ und führt thermische Schwingungen um eine bestimmte Gleichgewichtslage aus. Von Zeit zu Zeit kann sich jedoch jedes Molekül zu einer benachbarten freien Stelle bewegen. Solche Sprünge in Flüssigkeiten kommen recht häufig vor; Daher sind die Moleküle nicht wie in Kristallen an bestimmte Zentren gebunden und können sich durch das gesamte Volumen der Flüssigkeit bewegen. Dies erklärt die Fließfähigkeit von Flüssigkeiten. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen eng beieinander liegenden Molekülen können sie lokale (instabile) geordnete Gruppen aus mehreren Molekülen bilden. Dieses Phänomen wird als Nahordnung bezeichnet (Abb. 1).

Aufgrund der dichten Packung von Molekülen ist die Kompressibilität von Flüssigkeiten, also die Volumenänderung bei Druckänderung, sehr gering; es ist zehn- und hunderttausendmal geringer als in Gasen.

Flüssigkeiten ändern wie Feststoffe ihr Volumen bei einer Temperaturänderung. Für nicht sehr große Temperaturbereiche ist die relative Volumenänderung ΔV / V 0 proportional zur Temperaturänderung ΔT:

Der Koeffizient β wird Temperaturkoeffizient der Volumenausdehnung genannt. Die thermische Ausdehnung von Wasser hat eine interessante und wichtige Anomalie für das Leben auf der Erde. Bei Temperaturen unter 4°C dehnt sich Wasser aus. Die maximale Dichte ρ in = 10 3 kg/m 3 hat Wasser bei einer Temperatur von 4 °C.

Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus, sodass das Eis auf der Oberfläche des gefrorenen Gewässers schwimmt. Die Temperatur von gefrierendem Wasser unter Eis beträgt 0°C. In dichteren Wasserschichten nahe dem Grund des Stausees beträgt die Temperatur etwa 4 °C. Aus diesem Grund kann Leben im Wasser von Gefrierreservoirs existieren.

Das interessanteste Merkmal von Flüssigkeiten ist das Vorhandensein einer freien Oberfläche. Flüssigkeit füllt im Gegensatz zu Gasen nicht das gesamte Volumen des Gefäßes aus, in das sie gegossen wird. Zwischen der Flüssigkeit und dem Gas (oder Dampf) wird eine Grenzfläche gebildet, die sich im Vergleich zur übrigen Masse der Flüssigkeit in besonderen Bedingungen befindet. Die Moleküle in der Grenzschicht einer Flüssigkeit sind im Gegensatz zu den Molekülen in ihrer Tiefe nicht von allen Seiten von anderen Molekülen derselben Flüssigkeit umgeben. Die Kräfte der zwischenmolekularen Wechselwirkung, die von den benachbarten Molekülen auf eines der Moleküle innerhalb der Flüssigkeit wirken, kompensieren sich im Mittel gegenseitig. Jedes Molekül in der Grenzschicht wird von Molekülen innerhalb der Flüssigkeit angezogen (die Kräfte, die von den Gas- (oder Dampf-) Molekülen auf ein bestimmtes Molekül der Flüssigkeit wirken, können vernachlässigt werden). Als Ergebnis tritt eine gewisse resultierende Kraft auf, die tief in die Flüssigkeit gerichtet ist (Abb. 2).

Abb.2

Wenn sich das Molekül von der Oberfläche in die Flüssigkeit bewegt, wirken die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung positiv. Im Gegenteil, um eine bestimmte Anzahl von Molekülen aus der Tiefe der Flüssigkeit an die Oberfläche zu ziehen (d. H. Um die Oberfläche der Flüssigkeit zu vergrößern), muss die positive Arbeit äußerer Kräfte ΔA aufgewendet werden ext, proportional zur Flächenänderung ΔS:
ΔA extern = σΔS.
Der Koeffizient σ wird Oberflächenspannungskoeffizient genannt (σ > 0). Der Oberflächenspannungskoeffizient ist also gleich der Arbeit, die erforderlich ist, um die Oberfläche einer Flüssigkeit bei konstanter Temperatur um eine Einheit zu vergrößern.

In SI wird der Oberflächenspannungskoeffizient in Joule pro Quadratmeter (J / m 2) oder in Newton pro Meter (1 N / m \u003d 1 J / m 2) gemessen.

Folglich haben die Moleküle der Oberflächenschicht der Flüssigkeit überschüssige potentielle Energie im Vergleich zu den Molekülen innerhalb der Flüssigkeit. Die potentielle Energie E p der Flüssigkeitsoberfläche ist proportional zu ihrer Fläche:
E p = A extern = σS.
Aus der Mechanik ist bekannt, dass die Gleichgewichtszustände eines Systems dem Minimalwert seiner potentiellen Energie entsprechen. Daraus folgt, dass die freie Oberfläche der Flüssigkeit dazu neigt, ihre Fläche zu verringern. Aus diesem Grund nimmt ein freier Flüssigkeitstropfen eine Kugelform an (Abb. 3)
.

Abb. 3
Die Flüssigkeit verhält sich so, als würden Kräfte tangential zu ihrer Oberfläche wirken und diese Oberfläche reduzieren (kontrahieren). Diese Kräfte werden als Oberflächenspannungskräfte bezeichnet.

Das Vorhandensein von Oberflächenspannungskräften lässt die Flüssigkeitsoberfläche wie einen elastisch gestreckten Film aussehen, mit dem einzigen Unterschied, dass die elastischen Kräfte im Film von seiner Oberfläche abhängen (d. h. davon, wie der Film verformt wird) und die Oberflächenspannungskräfte dies tun nicht von der Oberfläche der Flüssigkeiten abhängen.

Da jedes System spontan in einen Zustand übergeht, in dem seine potentielle Energie minimal ist, muss die Flüssigkeit spontan in einen Zustand übergehen, in dem ihre freie Oberfläche den kleinsten Wert hat. Dies kann anhand des folgenden Experiments gezeigt werden.

An einem in Form des Buchstabens P gebogenen Draht ist ein beweglicher Querträger verstärkt (Abb. 4). Der so erhaltene Rahmen wird mit einem Seifenfilm festgezogen, wobei der Rahmen in eine Seifenlösung abgesenkt wird. Nach dem Entfernen des Rahmens aus der Lösung bewegt sich der Querbalken nach oben, d. H. Molekularkräfte reduzieren tatsächlich die freie Oberfläche der Flüssigkeit.

Abb.4
Da eine Kugel bei gleichem Volumen die kleinste Oberfläche hat, nimmt die Flüssigkeit im Zustand der Schwerelosigkeit die Form einer Kugel an. Aus dem gleichen Grund sind kleine Flüssigkeitstropfen kugelförmig. Die Form von Seifenfilmen auf verschiedenen Gerüsten entspricht immer der kleinsten freien Oberfläche der Flüssigkeit.

Plateau-Erfahrung

Die natürliche Form jeder Flüssigkeit ist eine Kugel. Normalerweise verhindert die Schwerkraft, dass die Flüssigkeit diese Form annimmt, und die Flüssigkeit breitet sich entweder in einer dünnen Schicht aus, wenn kein Gefäß vorhanden ist, oder nimmt die Form eines Gefäßes an. In einer anderen Flüssigkeit gleicher Dichte nimmt die Flüssigkeit eine natürliche Kugelform an.

Abb.5
Olivenöl schwimmt im Wasser, sinkt aber im Alkohol ab. Sie können eine Mischung aus Wasser und Alkohol herstellen, in der das Öl im Gleichgewicht ist. Lassen Sie uns mit einem Glasröhrchen oder einer Spritze etwas Olivenöl in diese Mischung geben: Das Öl sammelt sich zu einem kugelförmigen Tropfen, der bewegungslos in der Flüssigkeit hängt. Wenn Sie einen Draht durch die Mitte der Ölkugel führen und drehen, beginnt sich die Ölkugel abzuflachen, und nach einigen Sekunden löst sich ein Ring aus kleinen kugelförmigen Öltröpfchen von ihr. Dieses Experiment wurde zuerst von dem belgischen Physiker Plateau durchgeführt.

In gigantischem Ausmaß lässt sich ein solches Phänomen bei unseren Sonnensternen und Riesenplaneten beobachten. Diese Himmelskörper rotieren sehr schnell um ihre eigene Achse. Durch diese Drehung werden die Körper an den Polen sehr stark zusammengedrückt.

Abb.6

Phänomene der Benetzung und Nichtbenetzung. Kantenwinkel.

Benetzung und Nichtbenetzung – Kapillarphänomene sind in Natur und Technik weit verbreitet. Sie sind sowohl im Alltag als auch zur Lösung der wichtigsten wissenschaftlichen und technischen Probleme wichtig. Das Wissen zu diesen Themen ermöglicht es Ihnen, viele Fragen zu beantworten. Zum Beispiel, dass Kapillarphänomene die Aufnahme von Nährstoffen und Feuchtigkeit aus dem Boden durch das Wurzelsystem der Vegetation ermöglichen, dass die Blutzirkulation in lebenden Organismen auf dem Kapillarphänomen basiert, was Flotation ist und wo sie Anwendung gefunden hat, warum manche Feststoffe sind gut von Flüssigkeit benetzt, andere sind schlecht usw. .

Wenn Sie einen Glasstab in Quecksilber eintauchen und ihn dann herausnehmen, ist kein Quecksilber darauf. Wenn dieser Stab in Wasser getaucht wird, bleibt nach dem Herausziehen ein Wassertropfen an seinem Ende zurück. Diese Erfahrung zeigt, dass Quecksilbermoleküle stärker voneinander angezogen werden als von Glasmolekülen und Wassermoleküle voneinander schwächer angezogen werden als von Glasmolekülen.

Werden die Moleküle einer Flüssigkeit voneinander schwächer angezogen als von den Molekülen eines Festkörpers, so heißt die Flüssigkeit Benetzung diese Substanz. Zum Beispiel benetzt Wasser sauberes Glas und benetzt kein Paraffin. Wenn die Moleküle einer Flüssigkeit stärker voneinander angezogen werden als von den Molekülen eines Feststoffs, dann bezeichnet man die Flüssigkeit als diesen Stoff nicht benetzend. Quecksilber benetzt kein Glas, aber es benetzt reines Kupfer und Zink.

Stellen wir eine waagerechte flache Platte mit einer festen Substanz auf und tropfen die Testflüssigkeit darauf. Dann wird der Tropfen entweder wie in Abb. 7( a) oder wie in Abb. 7 ( b).

a) b)

Abb.7.
Im ersten Fall benetzt die Flüssigkeit den Feststoff, im zweiten nicht. Der in Abb. 5 markierte Winkel θ wird genannt Kontaktwinkel. Der Kontaktwinkel wird gebildet durch eine ebene Oberfläche eines Festkörpers und eine Ebene, die die freie Oberfläche der Flüssigkeit tangiert, wo Festkörper, Flüssigkeit und Gas aneinandergrenzen; Innerhalb des Kontaktwinkels befindet sich immer Flüssigkeit. Bei benetzenden Flüssigkeiten ist der Kontaktwinkel spitz, bei nicht benetzenden Flüssigkeiten stumpf. Damit die Schwerkraftwirkung den Kontaktwinkel nicht verzerrt, sollte der Tropfen möglichst klein gewählt werden.

Da der Kontaktwinkel θ an der vertikalen Position der festen Oberfläche beibehalten wird, steigt die benetzende Flüssigkeit an den Rändern des Gefäßes, in das sie gegossen wird, und die nicht benetzende Flüssigkeit fällt

Bei vollständiger Benetzung ist θ = 0, cos θ = 1.

Abb.8

Kapillarphänomene in Natur und Technik

Der Anstieg der Flüssigkeit in der Kapillare setzt sich fort, bis die auf die Flüssigkeitssäule in der Kapillare wirkende Schwerkraft im Modul gleich dem resultierenden F n der Oberflächenspannungskräfte wird, die entlang der Kontaktgrenze zwischen der Flüssigkeit und der Kapillaroberfläche wirken: F t = F n, wobei F t = mg = ρhπr 2 g, F n = σ2πr cos θ.

Dies impliziert:

Die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche in engen Rohren führt zu einer offensichtlichen Verletzung des Gesetzes der kommunizierenden Gefäße.

Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Höhe h je größer, desto kleiner der Innenradius des Rohres r. Der Anstieg des Wassers hat einen erheblichen Wert in Rohren, deren Innendurchmesser dem Durchmesser eines Haares (oder sogar noch weniger) entspricht; Daher werden solche Röhren Kapillaren genannt (aus dem Griechischen "capillaris" - Haar, dünn). Die benetzende Flüssigkeit in den Kapillaren steigt (Abb. 9, a), und die nicht benetzende Flüssigkeit sinkt (Abb. 9, b).

Abb.9


Kapillarphänomene können nicht nur in Röhren, sondern auch in engen Schlitzen beobachtet werden. Wenn Sie zwei Glasplatten in das Wasser absenken, sodass sich zwischen ihnen ein schmaler Spalt bildet, steigt das Wasser zwischen den Platten, und je höher, desto näher sind sie. Kapillarphänomene spielen in Natur und Technik eine wichtige Rolle. In Pflanzen gibt es viele winzige Kapillaren. In Bäumen steigt Feuchtigkeit aus dem Boden durch die Kapillaren zu den Baumwipfeln auf, wo sie durch die Blätter in die Atmosphäre verdunstet. Es gibt Kapillaren im Boden, die umso enger sind, je dichter der Boden ist. Wasser durch diese Kapillaren steigt an die Oberfläche und verdunstet schnell, und die Erde wird trocken. Pflügen im frühen Frühjahr zerstört Kapillaren, d.h. erhält die Untergrundfeuchte und erhöht den Ertrag.

In der Technik sind Kapillarphänomene von großer Bedeutung, beispielsweise bei Trocknungsprozessen von kapillarporösen Körpern etc. Kapillarphänomene sind im Bauwesen von großer Bedeutung. Damit beispielsweise eine Ziegelmauer nicht feucht wird, wird zwischen dem Fundament des Hauses und der Wand eine Dichtung aus einer Substanz hergestellt, in der keine Kapillaren vorhanden sind. In der Papierindustrie muss bei der Herstellung verschiedener Papiersorten die Kapillarität berücksichtigt werden. Beispielsweise wird es bei der Herstellung von Schreibpapier mit einer speziellen Verbindung imprägniert, die die Kapillaren verstopft. Im Alltag werden Kapillarphänomene in Dochten, in Löschpapier, in Stiften zum Zuführen von Tinte usw. genutzt.

Die meisten pflanzlichen und tierischen Gewebe sind von einer enormen Anzahl von Kapillargefäßen durchzogen. In den Kapillaren finden die Hauptprozesse im Zusammenhang mit der Atmung und Ernährung des Körpers statt, die komplexeste Chemie des Lebens ist eng mit Diffusionsphänomenen verbunden. Baumstämme, Äste und Pflanzenstämme werden von einer Vielzahl von Kapillarröhrchen durchdrungen, durch die Nährstoffe bis zu den obersten Blättern aufsteigen. Das Wurzelsystem der Pflanzen endet mit den dünnsten Filamentkapillaren. Und der Boden selbst, eine Nahrungsquelle für die Wurzel, lässt sich als eine Reihe von Kapillarröhrchen darstellen, durch die je nach Aufbau und Verarbeitung Wasser mit darin gelösten Stoffen schneller oder langsamer an die Oberfläche steigt. Die Höhe des Flüssigkeitsanstiegs in den Kapillaren ist umso größer, je kleiner ihr Durchmesser ist. Daraus ist klar, dass es notwendig ist, den Boden auszuheben und zu entwässern, um Feuchtigkeit zu bewahren, und ihn zu verdichten.

Die Rolle von Oberflächenphänomenen in der Natur ist vielfältig. Beispielsweise ist der Oberflächenfilm des Wassers für viele Organismen eine Stütze bei der Fortbewegung. Diese Bewegungsform findet man bei kleinen Insekten und Spinnentieren. Die bekanntesten Wasserläufer ruhen nur mit den Endsegmenten ihrer weit auseinander liegenden Beine auf dem Wasser. Der mit einer wachsartigen Beschichtung bedeckte Fuß wird nicht von Wasser benetzt, die Oberflächenwasserschicht sackt unter dem Druck des Fußes ab und bildet eine kleine Vertiefung. Einige Arten von Küstenspinnen bewegen sich auf ähnliche Weise, aber ihre Beine sind nicht wie bei Wasserläufern parallel zur Wasseroberfläche, sondern im rechten Winkel dazu.

Einige Tiere, die im Wasser leben, aber keine Kiemen haben, werden mit Hilfe von nicht benetzbaren Borsten, die ihre Atmungsorgane umgeben, von unten an den Oberflächenwasserfilm gehängt. Diese Technik wird von Mückenlarven (einschließlich Malarialarven) verwendet.

Federn und Daunen von Wasservögeln sind immer reichlich mit Fettsekreten spezieller Drüsen bestrichen, was ihre Undurchlässigkeit erklärt. Eine dicke Luftschicht, die zwischen den Federn einer Ente eingeschlossen und nicht durch Wasser verdrängt wird, schützt die Ente nicht nur vor Wärmeverlust, sondern erhöht auch den Auftriebsspielraum erheblich und wirkt wie ein Rettungsring.

Der wachsartige Belag auf den Blättern verhindert das Überfluten der sogenannten Spaltöffnungen, was zu einer Störung der richtigen Atmung der Pflanzen führen könnte. Das Vorhandensein der gleichen Wachsbeschichtung erklärt die Wasserbeständigkeit eines Reetdachs, Heuhaufens usw.

Das Hauptorgan, das Feuchtigkeit verbraucht, wo ständig Wasser benötigt wird, auch für die Photosynthese, ist ein Blatt, das sich weit von der Wurzel entfernt befindet. Außerdem ist das Blatt von Luft umgeben, die ihm oft Wasser „entzieht“, um sich mit Wasserdampf zu „sättigen“. Es entsteht ein Widerspruch: Das Blatt braucht ständig Wasser, aber es verliert es ständig, und die Wurzel hat ständig Wasser im Überschuss, obwohl sie nicht abgeneigt ist, es loszuwerden. Die Lösung für dieses Problem liegt auf der Hand: Sie müssen überschüssiges Wasser von der Wurzel zu den Blättern pumpen. Die Rolle eines solchen Wasserversorgungssystems übernimmt der Vorbau. Es liefert Wasser an die Blätter durch spezielle Röhren - Kapillaren. Bei Angiospermen sind sie am vollkommensten und lange (beim Wachstum der Pflanze selbst) hohle Gefäße, deren Wände mit Zellulose und Lignin ausgekleidet sind. Das System solcher leitender Gefäße heißt Xylem (vom griechischen Xylon - Holz, Holzblock).

Wenn sich im Lumen der Gefäße des Wurzelxylems Mineralstoffe anreichern, die die Wurzel aus dem Boden aufgenommen hat, strömt durch den Mechanismus der Osmose Wasser aus den umgebenden Wurzelzellen in das Xylem.

Der „Wasserpumpen“-Mechanismus besteht aus zwei osmotischen Pumpen und den Kapillarkräften der Gefäßwände.

Blutgefäße

Der gesamte Körper ist von Blutgefäßen durchzogen. Sie sind unterschiedlich aufgebaut. Arterien sind die Gefäße, die das Blut vom Herzen wegführen. Sie haben dichte elastische elastische Wände, zu denen glatte Muskeln gehören. Wenn sich das Herz zusammenzieht, stößt es Blut unter hohem Druck in die Arterie aus. Aufgrund der Dichte und Elastizität der Arterienwände halten diese Druck und Dehnung stand.

Große Arterien verzweigen sich, wenn sie sich vom Herzen wegbewegen. Die kleinsten Arterien brechen in die dünnsten Kapillaren auf. Ihre Wände bestehen aus einer einzigen Schicht flacher Zellen. Durch die Wände der Kapillaren gelangen im Blutplasma gelöste Substanzen in die Gewebeflüssigkeit und von dort in die Zellen. Die Abfallprodukte der Zellen dringen durch die Wände der Kapillaren aus der Gewebeflüssigkeit ins Blut. Es gibt etwa 150 Milliarden Kapillaren im menschlichen Körper. Wenn alle Kapillaren in einer Linie gezeichnet werden, kann sie den Globus entlang des Äquators zweieinhalb Mal umrunden. Blut aus den Kapillaren sammelt sich in den Venen – den Gefäßen, durch die das Blut zum Herzen fließt. Der Druck in den Venen ist gering, ihre Wände sind dünner als die Wände der Arterien.

Schaum im Dienste des Menschen

Es war keine Theorie, die zu der eigentlichen Idee der Flotation führte, sondern eine sorgfältige Beobachtung einer zufälligen Tatsache. Ende des 19. Jahrhunderts. Der amerikanische Lehrer Curry Everson machte beim Waschen der schmierigen Beutel, in denen Kupferkies aufbewahrt wurde, darauf aufmerksam, dass Pyritkörner mit Seifenlauge aufschwimmen. Dies war der Anstoß für die Entwicklung des Flotationsverfahrens. Dieses Verfahren ist in der Bergbau- und Hüttenindustrie zur Erzaufbereitung weit verbreitet, d.h. um den relativen Gehalt an wertvollen Komponenten in ihnen zu erhöhen. Das Wesen der Flotation ist wie folgt. Fein gemahlenes Erz wird in einen Bottich mit Wasser und öligen Substanzen geladen, die die Partikel eines nützlichen Minerals mit einem hauchdünnen Film umhüllen können, der nicht von Wasser benetzt wird. Die Mischung wird kräftig mit Luft vermischt, so dass viele kleine Bläschen entstehen – Schaum. Gleichzeitig haften Partikel eines nützlichen Minerals, die in einen dünnen Ölfilm gekleidet sind, wenn sie mit der Hülle einer Luftblase in Kontakt kommen, an ihr, hängen an der Blase und werden mit ihr wie auf einem Ballon nach oben getragen. Abfallgesteinspartikel, die nicht von einer öligen Substanz umhüllt sind, haften nicht an der Schale und verbleiben in der Flüssigkeit. Infolgedessen landen fast alle nützlichen Mineralpartikel als Schaum auf der Oberfläche der Flüssigkeit. Der Schaum wird entfernt und der weiteren Verarbeitung zugeführt – um das sogenannte Konzentrat zu erhalten .

Die Flotationstechnik ermöglicht es, bei richtiger Auswahl von Mischflüssigkeiten, das benötigte Nutzmineral von Gesteinsabfällen beliebiger Zusammensetzung zu trennen.

Praktischer Teil

"Untersuchung der Kapillareigenschaften verschiedener Proben von porösem Papier"

Zielsetzung: zur Untersuchung der Kapillareigenschaften verschiedener Proben von porösem Papier (z. B. Papierservietten verschiedener Hersteller).

Geräte und Materialien: Papierproben, destilliertes Wasser, Lineal, Bad.

Ausführungsmethode:

Herstellername			Geschätzter Kapillarradius 10 -5 m
	2,25 2,3	2,25	0,6621	4
LLC "BRIZ", Noworossijsk	1,8 1,75	1,78	0,837	3
	1,3 1,25	1,32	1,1286	2
	2,5 2,1	2,26	0,6592	4

Ich wiederholte das Experiment und ersetzte das Wasser durch Milch.

Milch 2,5 %;

Bei den Berechnungen habe ich folgende Tabellenwerte verwendet:

 - Milchdichte (1,03 x 10 3 kg / m 3);

 - Oberflächenspannung (bei Milch an der Grenze zur Luft  = 46x10 -3 N/m)

Herstellername	Flüssigkeitsförderhöhe, 10 -2 m	Der Durchschnittswert der Flüssigkeitsanstiegshöhe beträgt 10 -2 m	Geschätzter Kapillarradius 10 -3 m	Bewertung der Qualität der Feuchtigkeitsaufnahme nach einem 4-Punkte-System
OOO Russisches Papier ALLE Produkte, Brjansk	1,1 1,1	1,09	0,836	4
LLC "BRIZ", Noworossijsk	0,8 0,55	0,64	1,424	3
LLC Neue Technologien, Krasnodar	0,3 0,38	0,31	2,94	2
IP Kitaikin A.B. Nowoschachtinsk, Gebiet Rostow	0,98 1,0	0,97	0,94	4

Erkenntnisse und Schlussfolgerungen

1. 
   Als Ergebnis der durchgeführten Arbeiten wurde eine objektive Beurteilung der Qualität von Papierservietten verschiedener Hersteller erhalten.
2. 
   Die besten Ergebnisse zeigten die Muster der folgenden Hersteller: LLC Russian Paper ALL Products, Bryansk und IP Kitaikin A.B. Nowoschachtinsk, Gebiet Rostow
3. 
   Am schlimmsten waren die Servietten von New Technologies LLC, Krasnodar, die für die Ladenkette Magnit hergestellt wurden.
4. 
   Die besten Servietten können für den Einsatz im Speisesaal des Lyzeums Nr. 43 empfohlen werden.

Bibliographisches Verzeichnis

1. 
   Physische Enzyklopädie. http://enc-dic.com/enc_physics/Kapilljarne-javlenija-911.html
2. 
   Eigenschaften von Flüssigkeiten http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=161&Itemid=72#q3
3. 
   Kapillarphänomene. http://seaniv2006.narod.ru/1191.html (03.12.12)

Kapillarphänomene, Oberflächenphänomene an der Grenze einer Flüssigkeit mit einem anderen Medium, verbunden mit der Krümmung ihrer Oberfläche. Die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche an der Grenze zur Gasphase entsteht durch die Wirkung der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, die dazu neigt, die Grenzfläche zu verkleinern und dem begrenzten Flüssigkeitsvolumen die Form einer Kugel zu verleihen. Da die Kugel bei gegebenem Volumen eine minimale Oberfläche hat, entspricht diese Form der minimalen Oberflächenenergie der Flüssigkeit, d.h. seinen stabilen Gleichgewichtszustand. Bei ausreichend großen Flüssigkeitsmassen wird der Effekt der Oberflächenspannung durch die Schwerkraft kompensiert, sodass eine dünnflüssige Flüssigkeit schnell die Form eines Gefäßes annimmt, in das sie gegossen wird, und sie ist frei. die Oberfläche erscheint fast eben.

In Abwesenheit der Schwerkraft oder bei sehr kleinen Massen nimmt die Flüssigkeit immer eine Kugelform (Tropfen) an, deren Oberflächenkrümmung viele Faktoren bestimmt. Eigenschaften eines Stoffes. Daher sind Kapillarphänomene ausgeprägt und spielen eine bedeutende Rolle unter Bedingungen der Schwerelosigkeit, beim Zerkleinern einer Flüssigkeit in einem gasförmigen Medium (oder Einsprühen eines Gases in eine Flüssigkeit) und der Bildung von Systemen, die aus vielen Tropfen oder Blasen bestehen (Emulsionen, Aerosole , Schäume), beim Entstehen einer neuen Phase von Flüssigkeitströpfchen beim Kondensieren von Dämpfen, Dampfblasen beim Sieden, Kristallisationskeime. Wenn eine Flüssigkeit mit kondensierten Körpern (einer anderen Flüssigkeit oder einem Festkörper) in Kontakt kommt, entsteht die Krümmung der Grenzfläche durch die Wirkung der Grenzflächenspannung.

Beim Benetzen beispielsweise, wenn eine Flüssigkeit mit einer festen Wand eines Gefäßes in Kontakt kommt, wird diese durch die zwischen den Molekülen des Feststoffs und der Flüssigkeit wirkenden Anziehungskräfte entlang der Gefäßwand aufsteigen, wodurch diese ansteigt der an die Wand angrenzende Abschnitt der Flüssigkeitsoberfläche nimmt eine konkave Form an. In engen Kanälen, beispielsweise zylindrischen Kapillaren, bildet sich ein konkaver Meniskus - eine vollständig gekrümmte Flüssigkeitsoberfläche (Abb. 1).

Reis. 1. Kapillarerhöhung h Flüssigkeit, die die Wände einer Kapillare mit Radius benetzt r; q - Kontaktwinkel der Benetzung.

Kapillardruck.

Da die Kräfte der Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung) tangential zur Flüssigkeitsoberfläche gerichtet sind, führt die Krümmung der letzteren zum Auftreten einer Komponente, die in das Volumen der Flüssigkeit gerichtet ist. Dadurch entsteht ein Kapillardruck, dessen Wert Dp durch die Laplace-Gleichung mit dem mittleren Krümmungsradius der Oberfläche r 0 in Beziehung steht:

Dp = p 1 - p 2 \u003d 2s 12 / r 0, (1)

wo p 1 und p 2 - Druck in Flüssigkeit 1 und benachbarter Phase 2 (Gas oder Flüssigkeit), s 12 - Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung).

Wenn die Flüssigkeitsoberfläche konkav ist (r 0< 0), давление в ней оказывается пониженным по сравнению с давлением в соседней фазе p 1 < р 2 и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r 0 >0) wird das Vorzeichen von Dp umgekehrt. Der Kapillarunterdruck, der entsteht, wenn die Wände der Kapillare mit Flüssigkeit benetzt werden, führt dazu, dass die Flüssigkeit bis zur Höhe der Flüssigkeitssäule in die Kapillare gesaugt wird h gleicht den Druckabfall Dp nicht aus. Im Gleichgewichtszustand wird die Höhe des Kapillaranstiegs durch die Jurin-Formel bestimmt:

wobei r 1 und r 2 die Dichten von Flüssigkeit 1 und Medium 2 sind, g die Erdbeschleunigung ist, r der Radius der Kapillare ist, q der Benetzungswinkel ist. Für Flüssigkeiten, die die Kapillarwände nicht benetzen, ist cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

Aus Ausdruck (2) folgt die Definition der Kapillarkonstante der Flüssigkeit a= 1/2 . Es hat die Dimension der Länge und charakterisiert die lineare Größe Z[a, bei denen Kapillarphänomene signifikant werden Also, für Wasser bei 20 ° C ein = 0,38 cm Bei schwacher Schwerkraft (g: 0) der Wert a erhöht sich. Im Bereich des Partikelkontakts führt die Kapillarkondensation unter Einwirkung des reduzierten Drucks Dp zur Kontraktion der Partikel< 0.

Kelvin-Gleichung.

Die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche führt zu einer Änderung des Gleichgewichtsdampfdrucks darüber R im Vergleich zum Sattdampfdruck p.süber einer ebenen Fläche bei gleicher Temperatur T. Diese Änderungen werden durch die Kelvin-Gleichung beschrieben:

wo ist das molare Volumen der Flüssigkeit, R ist die Gaskonstante. Die Abnahme oder Zunahme des Dampfdrucks hängt vom Vorzeichen der Krümmung der Oberfläche ab: über konvexen Oberflächen (r 0 > 0) p > p s ;über konkav (r 0< 0) R< р s . . Über den Tropfen wird also der Dampfdruck erhöht; in Blasen hingegen wird sie gesenkt.

Anhand der Kelvin-Gleichung wird die Füllung von Kapillaren oder porösen Körpern berechnet Kapillarkondensation. Da die Werte R für Partikel unterschiedlicher Größe oder für Oberflächenbereiche mit Vertiefungen und Erhebungen unterschiedlich sind, bestimmt Gleichung (3) auch die Richtung des Stoffübergangs beim Übergang des Systems in den Gleichgewichtszustand. Dies führt insbesondere dazu, dass durch das Verdampfen (Auflösen) kleinerer größere Tropfen bzw. Partikel wachsen und durch das Auflösen von Erhebungen und das Abheilen von Vertiefungen die Oberflächenunebenheiten nichtkristalliner Körper geglättet werden . Spürbare Unterschiede im Dampfdruck und in der Löslichkeit treten erst bei ausreichend kleinem r 0 auf (für Wasser z. B. bei r 0). Daher wird häufig die Kelvin-Gleichung verwendet, um den Zustand kolloidaler Systeme und poröser Körper und Prozesse in ihnen zu charakterisieren.

Reis. 2. Flüssigkeitsverdrängung nach Länge l in einer Kapillare mit Radius r; q - Kontaktwinkel.

Kapillare Imprägnierung.

Die Druckabnahme unter den konkaven Menisken ist einer der Gründe für die Kapillarbewegung der Flüssigkeit zu den Menisken mit kleinerem Krümmungsradius. Ein besonderer Fall hiervon ist die Imprägnierung poröser Körper – die spontane Aufnahme von Flüssigkeiten in lyophile Poren und Kapillaren (Abb. 2). Geschwindigkeit v Die Bewegung des Meniskus in einer horizontal angeordneten Kapillare (oder in einer sehr dünnen vertikalen Kapillare, wenn der Einfluss der Schwerkraft gering ist) wird durch die Poiseuille-Gleichung bestimmt:

wo l ist die Länge des absorbierten Flüssigkeitsabschnitts, h ist seine Viskosität, Dp ist der Druckabfall in dem Abschnitt l, gleich dem Kapillardruck des Meniskus: Dp = - 2s 12 cos q/r. Wenn der Kontaktwinkel q nicht von der Drehzahl abhängt v, es ist möglich, die während der Zeit aufgenommene Flüssigkeitsmenge zu berechnen t aus dem Verhältnis:

l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)

Wenn q eine Funktion ist v, dann l und v mit komplexeren Zusammenhängen verbunden.

Die Gleichungen (4) und (5) werden zur Berechnung der Imprägnierrate bei der Behandlung von Holz mit Antiseptika, beim Färben von Stoffen, beim Aufbringen von Katalysatoren auf poröse Träger, beim Auslaugen und Diffusionsextraktion wertvoller Gesteinsbestandteile usw. verwendet. Um die Imprägnierung zu beschleunigen, werden häufig Tenside verwendet verwendet, die die Benetzung verbessern, indem sie den Kontaktwinkel q verringern. Eine der Möglichkeiten der Kapillarimprägnierung ist die Verdrängung einer Flüssigkeit aus einem porösen Medium durch eine andere, die sich nicht mit der ersten vermischt und die Oberfläche der Poren besser benetzt. Darauf basieren beispielsweise Methoden zur Restölgewinnung aus Lagerstätten mit wässrigen Lösungen von Tensiden und Methoden der Quecksilberporosimetrie. Kapillare Absorption von Lösungen in Poren und Verdrängung von nicht mischbaren Flüssigkeiten aus Poren, begleitet von Adsorption und Diffusion von Komponenten, werden von der physikalisch-chemischen Hydrodynamik betrachtet.

Neben den beschriebenen Gleichgewichtszuständen einer Flüssigkeit und ihrer Bewegung in Poren und Kapillaren werden auch die Gleichgewichtszustände sehr kleiner Volumina einer Flüssigkeit, insbesondere dünner Schichten und Filme, als Kapillarphänomene bezeichnet. Diese Kapillarphänomene werden oft als Kapillarphänomene vom Typ II bezeichnet. Sie sind beispielsweise durch die Abhängigkeit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit vom Radius der Tropfen und durch die Linienspannung gekennzeichnet. Kapillarphänomene wurden zuerst von Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (17. Jahrhundert) und J. Jurin (18. Jahrhundert) in Experimenten mit Kapillarröhrchen untersucht. Die Theorie der Kapillarphänomene wurde in den Arbeiten von P. Laplace (1806), T. Jung (1804), A. Yu. Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886) entwickelt. Der Beginn der Entwicklung der Theorie der Kapillarphänomene der zweiten Art wurde durch die Arbeiten von B. V. Deryagin und L. M. Shcherbakov gelegt.

KAPILLARE PHÄNOMENE- eine Reihe von Phänomenen, die durch die Wirkung der Grenzflächenspannung an der Grenzfläche nicht mischbarer Medien verursacht werden; zu K.i. umfassen normalerweise Phänomene in Flüssigkeiten, die durch die Krümmung ihrer Oberfläche verursacht werden und an eine andere Flüssigkeit, ein Gas oder eine andere Flüssigkeit grenzen. Fähre. K. Ya. ist ein Spezialfall von Oberflächenphänomenen. In Abwesenheit einer Flüssigkeit ist die Oberfläche immer gekrümmt. Unter dem Einfluss neigt ein begrenztes Flüssigkeitsvolumen dazu, die Form einer Kugel anzunehmen, d.h. ein Volumen mit min. Fläche. Gravitationskräfte verändern das Bild erheblich. Eine Flüssigkeit mit relativ niedriger Viskosität nimmt schnell die Form eines Gefäßes an, in das sie gegossen wird, und ihre freie Oberfläche (nicht an die Wände des Gefäßes angrenzend) bei ausreichend großen Flüssigkeitsmassen und einer großen Fläche von Die freie Oberfläche ist praktisch eben. Wenn jedoch die Masse der Flüssigkeit abnimmt, wird die Rolle der Oberflächenspannung wichtiger als die Schwerkraft. So entstehen beispielsweise beim Zerkleinern einer Flüssigkeit in einem Gas (oder eines Gases in einer Flüssigkeit) kugelförmige Tröpfchen (Blasen). Formen. Die Eigenschaften von Systemen mit einer großen Anzahl von Tropfen oder Blasen (Emulsionen, Flüssigkeitsaerosole, Schäume) und die Bedingungen für ihre Bildung werden weitgehend durch die Krümmung der Oberfläche dieser Formationen bestimmt, dh K. I. Die große Rolle von K. I. Sie spielen auch bei der Keimbildung während der Dampfkondensation, dem Sieden von Flüssigkeiten und der Kristallisation eine Rolle. Die Krümmung der Oberfläche einer Flüssigkeit kann auch als Folge ihrer Wechselwirkung mit der Oberfläche einer anderen Flüssigkeit oder eines anderen Feststoffs auftreten. In diesem Fall das Vorhandensein oder Fehlen von Benetzung Flüssigkeit auf dieser Oberfläche. Wenn es stattfindet, d.h. die Moleküle einer Flüssigkeit 1 (Fig. 1) stärker mit der Oberfläche eines Festkörpers 3 wechselwirken als mit den Molekülen einer anderen Flüssigkeit (oder eines Gases) 2, dann unter dem Einfluss der Differenz in der Kräfte der zwischenmolekularen Wechselwirkung, die Flüssigkeit steigt entlang der Gefäßwand auf und benachbart zu einem Festkörper wird ein Abschnitt der Flüssigkeitsoberfläche gekrümmt. Hydrostatisch der durch den Anstieg des Flüssigkeitsspiegels verursachte Druck wird ausgeglichen Kapillardruck- Druckdifferenz über und unter der gekrümmten Oberfläche, deren Wert sich auf die lokale Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche bezieht. Wenn Sie die flachen Wände des Gefäßes näher an die Flüssigkeit bringen, überlappen sich die Krümmungszonen und es entsteht ein Meniskus - eine vollständig gekrümmte Oberfläche. In einer solchen Kapillare wird unter Benetzungsbedingungen unter einem konkaven Meniskus der Druck gesenkt, die Flüssigkeit steigt; Gewicht der Flüssigkeitssäule. h 0 gleicht den Kapillardruck Dр aus. Im Gleichgewicht

Die Oberflächenspannung ist relativ einfach experimentell zu bestimmen. Zur Bestimmung der Oberflächenspannung gibt es verschiedene Methoden, die in statisch, halbstatisch und dynamisch unterteilt werden. Statische Methoden basieren auf Kapillarphänomenen, die mit der Krümmung der Grenzfläche verbunden sind.

Mit dem Auftreten von Oberflächenkrümmungen zwischen den Phasen ändert sich der Innendruck des Körpers und es entsteht ein zusätzlicher (kapillarer) Laplace-Druck R, was die Innendruckcharakteristik einer flachen Oberfläche erhöhen oder verringern kann. Dieser zusätzliche Druck kann als Resultierende von Oberflächenspannungskräften dargestellt werden, die zum Krümmungsmittelpunkt senkrecht zur Oberfläche gerichtet sind. Die Krümmung kann positiv oder negativ sein (Abb. 2.2).

Reis. 2.2. Schema der Bildung von zusätzlichem Druck für eine Oberfläche mit positivem (a) und negativem (b) Krümmung

Eine Volumenänderung einer Flüssigkeit erfolgt durch eine spontane Abnahme der Oberflächenenergie und deren Umwandlung in mechanische Energie einer Volumenänderung des Körpers. Dabei ist in Gleichung (2.2) für die Helmholtz-Energie konstant T, n, q nur zwei Terme müssen berücksichtigt werden. dF=-pdV+ods. Im Gleichgewicht dF = 0, also pdv=ods. In diesem Ausdruck p = P- zusätzlicher Druck (Laplace-Druck), gleich der Druckdifferenz zwischen dem Druck eines Körpers mit ebenen und gekrümmten Oberflächen (AR):

Das Verhältnis wird als Krümmung der Oberfläche bezeichnet.

Für eine sphärische Oberfläche. Ersetzen Sie diesen Ausdruck

in die Gleichung für zusätzlichen Druck erhalten wir die Laplace-Gleichung:

indem G- Krümmungsradius; - Krümmung oder Dispersität (Abb. 2.3).

Wenn die Oberfläche eine unregelmäßige Form hat, wird das Konzept der mittleren Krümmung verwendet und die Laplace-Gleichung ist

wo Gr / * 2 - die Hauptkrümmungsradien.

Reis. 2.3. Kapillares Aufsteigen von Flüssigkeit bei Benetzung (a) und Nichtbenetzung (Über) Kapillarwände

Für die Oberflächenspannung kann die Laplace-Gleichung in die Form umgeschrieben werden, die die Proportionalität der Oberfläche zeigt

Spannungsradius der Kapillare G und Druck R, an dem eine Gasblase aus einer in eine Flüssigkeit eingetauchten Kapillare entweicht. Auf dieser Proportionalität basiert die Methode der experimentellen Bestimmung der Oberflächenspannung von Rehbinder.

Das Rehbinder-Verfahren misst den Druck, bei dem eine Gasblase aus einer Kapillare entweicht, die von einer Flüssigkeit abgesenkt wird. In dem Moment, in dem die Blase springt, ist der gemessene Druck gleich dem Kapillardruck, dem Radius der Oberflächenkrümmung - dem Radius der Kapillare. Im Experiment ist es fast unmöglich, den Kapillarradius zu messen, daher werden relative Messungen durchgeführt: Der Druck wird in einer Gasblase bestimmt, die durch eine Flüssigkeit mit bekannter Oberflächenspannung (diese Flüssigkeit wird als Standard bezeichnet) springt, und dann der Druck R in einer Gasblase, die durch eine Flüssigkeit mit bestimmter Oberflächenspannung springt. Als Standardflüssigkeit wird in der Regel destilliertes Wasser und für genaue Messungen Bidestillat verwendet.

Das Verhältnis der Oberflächenspannung einer Standardflüssigkeit zum Druck in einer durch sie hindurchspringenden Blase wird als Konstante bezeichnet

kapillar. Mit einem bekannten Wert der Oberflächenspannung

(t 0 und gemessene Drücke und R für die Standard- und die untersuchte Flüssigkeit wird die Oberflächenspannung der letzteren durch die Hauptberechnungsformel dieser Methode bestimmt:

Wenn der Wert mit hoher Genauigkeit bekannt ist, ist auch der Wert der Oberflächenspannung der zu bestimmenden Flüssigkeit genau. Das Rehbinder-Verfahren ergibt eine Genauigkeit der Bestimmung der Oberflächenspannung von bis zu 0,01 mJ/m 2 .

Bei der Hebemethode wird die Höhe des Anstiegs (bzw. Abfalls) der Flüssigkeit in der Kapillare gemessen und cc mit der Höhe des Anstiegs einer Standardflüssigkeit mit bekannter Oberflächenspannung verglichen (Abb. 2.4).

Reis. 2.4.

Der Grund für den Kapillaranstieg liegt darin, dass die Flüssigkeit, die die Wände der Kapillare benetzt, eine gewisse Krümmung der Oberfläche bildet und der resultierende kapillare Laplace-Druck die Flüssigkeit in der Kapillare anhebt, bis das Gewicht der Flüssigkeitssäule die einwirkende Kraft ausgleicht. Das Aufsteigen der Flüssigkeit in der Kapillare wird beobachtet, wenn die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche negativ ist. Bei einem konkaven Meniskus neigt der Laplace-Druck dazu, die Flüssigkeit zu strecken und anzuheben, ein solcher Kapillaranstieg wird als positiv bezeichnet, er ist typisch für Flüssigkeiten, die die Wände der Kapillare benetzen (z. B. im Glas-Wasser-System). Umgekehrt, wenn die Krümmung der Oberfläche positiv ist (ein konvexer Meniskus), dann neigt der zusätzliche Druck dazu, die Flüssigkeit zu komprimieren, und ihr Absenken in der Kapillare wird beobachtet, was als negativer Kapillaranstieg bezeichnet wird. Ein ähnliches Phänomen ist typisch für Fälle, in denen die Wände der Kapillare nicht von Flüssigkeit benetzt sind (z. B. im Glas-Quecksilber-System).

Nach Abb. zu urteilen. 2.4. Benetzung beeinflusst die Oberflächengeometrie und wenn r der Krümmungsradius ist, dann der Radius der Kapillare selbst R durch die Relation darauf bezogen

wo in- Kontaktwinkel der Benetzung (akut, vorausgesetzt, dass die Wände der Kapillare von Flüssigkeit benetzt sind). Aus der letzten Beziehung folgt, dass

Setzen wir diese Beziehung in Gleichung (2.4) ein, erhalten wir

Berücksichtigen wir, dass der Druck der Flüssigkeitssäule in der Gleichung pdv=ods bezogen auf seine Höhe mgh = V(p-p^)gh, Sie können das Verhältnis erhalten und dann die Jurin-Formel:

wo h- die Höhe des Flüssigkeitsanstiegs in der Kapillare; R ist die Dichte der Flüssigkeit; p.s ist die Dichte seines gesättigten Dampfes; g- Erdbeschleunigung.

Vorausgesetzt, die Dichte der Flüssigkeit R und seine Sättigungsdampfdichte p.s unvergleichlich (R » p s) für die Oberflächenspannung können wir schreiben

In einer vereinfachten Formel wird auch angenommen, dass die Wände des Gefäßes vollständig von Flüssigkeit benetzt sind (cos in = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

In der praktischen Anwendung des Verfahrens erfolgt die Berechnung der Oberflächenspannung nach der Formel

wo und h- die Höhe des Anstiegs in der Kapillare der Standard- und Testflüssigkeit; p^u p- ihre Dichte.

Diese Methode kann als exakter vorausgesetzter cos verwendet werden ein - konst, es ist besser in= 0°, was für viele Flüssigkeiten ohne zusätzliche Bedingungen akzeptabel ist. Im Experiment ist es notwendig, dünne Kapillaren zu verwenden, die gut von Flüssigkeit benetzt sind. Die Kapillaranstiegsmethode kann auch eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Oberflächenspannung von bis zu 0,01–0,1 mJ / m liefern