თუ მოგწონთ კოქტეილების ან სხვა სასმელების დალევა ჩალისგან, ალბათ შენიშნეთ, რომ როდესაც მისი ერთ-ერთი ბოლო სითხეში ჩაედინება, მასში სასმელის დონე ოდნავ უფრო მაღალია, ვიდრე ჭიქაში ან ჭიქაში. Რატომ ხდება ეს? როგორც წესი, ხალხი ამაზე არ ფიქრობს. მაგრამ ფიზიკოსებმა დიდი ხანია შეძლეს ასეთი ფენომენების კარგად შესწავლა და მათ საკუთარი სახელიც კი დაარქვეს - კაპილარული ფენომენი. ჩვენი ჯერია გავარკვიოთ, რატომ ხდება ეს და როგორ აიხსნება ეს ფენომენი.

რატომ ჩნდება კაპილარები

ბუნებაში ყველაფერს, რაც ხდება, გონივრული ახსნა აქვს. თუ სითხე სველდება (მაგალითად, წყალი პლასტმასის მილში), ის ამოდის მილში, ხოლო თუ არ სველდება (მაგალითად, ვერცხლისწყალი შუშის ფლაკონში), მაშინ დაეცემა. უფრო მეტიც, რაც უფრო მცირეა ასეთი კაპილარების რადიუსი, მით უფრო მაღალია სითხე ან დაეცემა. რა ხსნის ასეთ კაპილარულ მოვლენებს? ფიზიკა ამბობს, რომ ისინი წარმოიქმნება ძალების მოქმედების შედეგად, თუ კარგად დააკვირდებით კაპილარში არსებული სითხის ზედაპირულ ფენას, შეამჩნევთ, რომ მისი ფორმით იგი ერთგვარი წრეა. მისი საზღვრის გასწვრივ მილაკის კედლებზე მოქმედებს ე.წ. უფრო მეტიც, დამატენიანებელი სითხისთვის მისი მიმართულების ვექტორი მიმართულია ქვევით, ხოლო არამსველებელი სითხეზე მიმართულია ზემოთ.

მესამეს მიხედვით, ის აუცილებლად იწვევს მოდულში მის ტოლ საპირისპირო წნევას. სწორედ ეს იწვევს სითხის აწევას ან დაცემას ვიწრო მილში. ეს ხსნის ყველა სახის კაპილარული ფენომენს. თუმცა, რა თქმა უნდა, ბევრს უკვე გაუჩნდა ლოგიკური კითხვა: "და როდის შეჩერდება სითხის აწევა ან დაცემა?" ეს მოხდება მაშინ, როდესაც მიზიდულობის ძალა, ანუ არქიმედეს ძალა, აბალანსებს ძალას, რომელიც აიძულებს სითხეს მილის გასწვრივ გადაადგილდეს.

როგორ შეიძლება კაპილარული ფენომენების გამოყენება?

ამ ფენომენის ერთ-ერთი გამოყენება, რომელიც ფართოდ გავრცელდა საკანცელარიო ნივთების წარმოებაში, იცნობს თითქმის ყველა სტუდენტს თუ მოსწავლეს. ალბათ უკვე მიხვდით რაზე ვსაუბრობთ

მისი მოწყობილობა საშუალებას გაძლევთ დაწეროთ თითქმის ნებისმიერ პოზიციაზე, ხოლო ქაღალდზე წვრილმა და მკაფიო ნიშანმა დიდი ხანია გახადა ეს თემა ძალიან პოპულარული მწერლობის საძმოში. ასევე ფართოდ გამოიყენება სოფლის მეურნეობაში გადაადგილების გასაკონტროლებლად და ნიადაგში ტენიანობის შესანარჩუნებლად. მოგეხსენებათ, მიწას, სადაც კულტურები მოჰყავთ, ფხვიერი სტრუქტურა აქვს, რომელშიც მის ცალკეულ ნაწილაკებს შორის ვიწრო უფსკრულია. სინამდვილეში, ეს სხვა არაფერია, თუ არა კაპილარები. მათი მეშვეობით წყალი ხვდება ფესვთა სისტემაში და ამარაგებს მცენარეებს საჭირო ტენიანობითა და სასარგებლო მარილებით. თუმცა, ამ ბილიკებზე ნიადაგის წყალიც ამოდის და საკმაოდ სწრაფად აორთქლდება. ამ პროცესის თავიდან ასაცილებლად, კაპილარები უნდა განადგურდეს. მხოლოდ ამისათვის ხორციელდება ნიადაგის გაფხვიერება. და ზოგჯერ საპირისპირო სიტუაცია ჩნდება, როდესაც საჭიროა კაპილარებში წყლის მოძრაობის გაზრდა. ამ შემთხვევაში ნიადაგი იშლება და ამის გამო ვიწრო არხების რაოდენობა იზრდება. ყოველდღიურ ცხოვრებაში, კაპილარული ფენომენი გამოიყენება სხვადასხვა გარემოებებში. ბლოტი ქაღალდის, პირსახოცების და ხელსახოცების გამოყენება, ფიტილების გამოყენება ტექნოლოგიაში და ტექნოლოგიაში - ეს ყველაფერი შესაძლებელია მათ შემადგენლობაში გრძელი ვიწრო არხების არსებობის გამო.

მემორანდუმი "ლიცეუმი No. 43"

(ბუნებრივ-ტექნიკური)

კაპილარული ფენომენი
როჟკოვი დიმიტრი

სარანსკი

2013
Სარჩევი

ლიტერატურის მიმოხილვა 3

სითხეების თვისებები. ზედაპირული დაძაბულობა 3

პლატოს გამოცდილება 6

დამსველებისა და დაუსველების ფენომენები. კიდეების კუთხე. 7

კაპილარული ფენომენები ბუნებაში და ტექნოლოგიაში 8

სისხლძარღვები 10

ქაფი კაცის სამსახურში 11

პრაქტიკული ნაწილი 11

„ფოროვანი ქაღალდის სხვადასხვა ნიმუშების კაპილარული თვისებების შესწავლა“ 11

დასკვნები და დასკვნები 13

გამოყენებული ლიტერატურა 13

Ლიტერატურის მიმოხილვა

კაპილარული ფენომენი არის ფიზიკური ფენომენი, რომელიც გამოწვეულია ზედაპირული დაძაბულობით შეურევადი მედიის ინტერფეისზე. ასეთი ფენომენები, როგორც წესი, მოიცავს მოვლენებს თხევად მედიაში, რომლებიც გამოწვეულია მათი ზედაპირის გამრუდებით, რომელიც ესაზღვრება სხვა სითხეს, გაზს ან საკუთარ ორთქლს.

კაპილარული ფენომენი მოიცავს თხევადი ზედაპირის წონასწორობისა და მოძრაობის სხვადასხვა შემთხვევებს ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების ძალების და გარე ძალების (პირველ რიგში, გრავიტაციის) მოქმედებით. უმარტივეს შემთხვევაში, როდესაც გარე ძალები არ არის ან კომპენსირებულია, თხევადი ზედაპირი ყოველთვის მრუდია. ასე რომ, უწონობის პირობებში, სითხის შეზღუდული მოცულობა, რომელიც არ შედის კონტაქტში სხვა სხეულებთან, ზედაპირული დაძაბულობის მოქმედებით იღებს ბურთის ფორმას. ეს ფორმა შეესაბამება სითხის სტაბილურ წონასწორობას, ვინაიდან სფეროს აქვს მინიმალური ზედაპირის ფართობი მოცემული მოცულობისთვის და, შესაბამისად, სითხის ზედაპირის ენერგია ამ შემთხვევაში მინიმალურია. სითხე ბურთის ფორმას იღებს მაშინაც კი, თუ ის თანაბარი სიმკვრივის სხვა სითხეშია (მიზიდულობის მოქმედება კომპენსირდება არქიმედეს გამაძლიერებელი ძალით).

სისტემების თვისებები, რომლებიც შედგება მრავალი პატარა წვეთისაგან ან ბუშტისაგან (ემულსიები, თხევადი აეროზოლები, ქაფი) და მათი ფორმირების პირობები დიდწილად განისაზღვრება ნაწილაკების ზედაპირის გამრუდებით, ანუ კაპილარული ფენომენებით. კაპილარული ფენომენი არანაკლებ მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ახალი ფაზის ფორმირებაში: თხევადი წვეთები ორთქლის კონდენსაციის დროს, ორთქლის ბუშტები თხევადი დუღილის დროს და მყარი ფაზის ბირთვები კრისტალიზაციის დროს.

როდესაც თხევადი კონტაქტშია მყარ ნაწილებთან, მისი ზედაპირის ფორმაზე მნიშვნელოვნად მოქმედებს დამსველებელი ფენომენი თხევადი და მყარი მოლეკულების ურთიერთქმედების გამო.

კაპილარული შთანთქმა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მცენარეების წყალმომარაგებაში, ტენიანობის მოძრაობაში ნიადაგებსა და სხვა ფოროვან სხეულებში. სხვადასხვა მასალის კაპილარული გაჟღენთვა ფართოდ გამოიყენება ქიმიური საინჟინრო პროცესებში.

სითხის თავისუფალი ზედაპირის გამრუდება გარე ძალების ზემოქმედებით იწვევს ეგრეთ წოდებული კაპილარული ტალღების არსებობას („ტალღები“ თხევადი ზედაპირზე). კაპილარული მოვლენები თხევადი ინტერფეისების მოძრაობის დროს განიხილება ფიზიკოქიმიური ჰიდროდინამიკის მიხედვით.

კაპილარული ფენომენები პირველად აღმოაჩინეს და შეისწავლეს ლეონარდო და ვინჩის, ბ.პასკალის (მე-17 ს.) და ჯ. კაპილარული ფენომენების თეორია შემუშავებული იყო პ.ლაპლასის (1806), ტ. იანგის (იანგი, 1805), ჯ.ვ. გიბსის (1875) და ი. გრომეკი (1879, 1886).

სითხეების თვისებები. ზედაპირული დაძაბულობა

თხევად მდგომარეობაში ნივთიერების მოლეკულები განლაგებულია ერთმანეთთან თითქმის ახლოს. მყარი კრისტალური სხეულებისგან განსხვავებით, რომლებშიც მოლეკულები ქმნიან მოწესრიგებულ სტრუქტურებს კრისტალის მოცულობის მანძილზე და შეუძლიათ თერმული ვიბრაციების შესრულება ფიქსირებული ცენტრების გარშემო, თხევადი მოლეკულებს უფრო მეტი თავისუფლება აქვთ. სითხის თითოეული მოლეკულა, ისევე როგორც მყარ სხეულში, მეზობელი მოლეკულებით ყველა მხრიდან „დაჭერილია“ და ახორციელებს თერმულ ვიბრაციებს გარკვეული წონასწორული პოზიციის გარშემო. თუმცა, დროდადრო, ნებისმიერ მოლეკულას შეუძლია გადავიდეს მიმდებარე ვაკანსიაზე. სითხეებში ასეთი ნახტომები საკმაოდ ხშირად ხდება; ამიტომ, მოლეკულები არ არის მიმაგრებული გარკვეულ ცენტრებთან, როგორც კრისტალებში, და შეუძლიათ გადაადგილება სითხის მთელ მოცულობაში. ეს ხსნის სითხეების სითხეს. მჭიდროდ განლაგებულ მოლეკულებს შორის ძლიერი ურთიერთქმედების გამო, მათ შეუძლიათ შექმნან ადგილობრივი (არასტაბილური) მოწესრიგებული ჯგუფები, რომლებიც შეიცავს რამდენიმე მოლეკულას. ამ ფენომენს მოკლე დიაპაზონის წესრიგს უწოდებენ (ნახ. 1).

მოლეკულების მკვრივი შეფუთვის გამო, სითხეების შეკუმშვა, ანუ მოცულობის ცვლილება წნევის ცვლილებით ძალიან მცირეა; ის ათობით და ასობით ათასი ჯერ ნაკლებია, ვიდრე გაზებში.

სითხეები, ისევე როგორც მყარი, ცვლის მოცულობას ტემპერატურის ცვლილებით. არც თუ ისე დიდი ტემპერატურის დიაპაზონისთვის, მოცულობის შედარებით ცვლილება ΔV / V 0 პროპორციულია ტემპერატურის ცვლილების ΔT:

β კოეფიციენტს ეწოდება მოცულობის გაფართოების ტემპერატურული კოეფიციენტი. წყლის თერმულ გაფართოებას დედამიწაზე სიცოცხლისთვის საინტერესო და მნიშვნელოვანი ანომალია აქვს. 4°C-ზე დაბალ ტემპერატურაზე წყალი ფართოვდება. მაქსიმალური სიმკვრივე ρ in = 10 3 კგ / მ 3 წყალს აქვს 4 ° C ტემპერატურაზე.

როდესაც წყალი იყინება, ის ფართოვდება, ამიტომ ყინული რჩება წყლის გაყინული სხეულის ზედაპირზე მცურავი. ყინულის ქვეშ გაყინული წყლის ტემპერატურა 0°C-ია. წყლის უფრო მჭიდრო ფენებში, წყალსაცავის ფსკერთან ახლოს, ტემპერატურა დაახლოებით 4 °C-ია. ამის გამო სიცოცხლე შეიძლება არსებობდეს გაყინული წყალსაცავების წყალში.

სითხეების ყველაზე საინტერესო თვისება არის თავისუფალი ზედაპირის არსებობა. სითხე, აირებისგან განსხვავებით, არ ავსებს ჭურჭლის მთელ მოცულობას, რომელშიც ის არის ჩასხმული. სითხესა და გაზს (ან ორთქლს) შორის იქმნება ინტერფეისი, რომელიც განსაკუთრებულ პირობებშია სითხის დანარჩენ მასასთან შედარებით. სითხის სასაზღვრო ფენის მოლეკულები, მის სიღრმეში არსებული მოლეკულებისგან განსხვავებით, არ არის გარშემორტყმული იმავე სითხის სხვა მოლეკულებით ყველა მხრიდან. ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების ძალები, რომლებიც მოქმედებენ სითხის შიგნით ერთ-ერთ მოლეკულაზე მეზობელი მოლეკულებიდან, საშუალოდ, ურთიერთკომპენსირებულია. სასაზღვრო ფენის ნებისმიერი მოლეკულა იზიდავს სითხის შიგნით მოლეკულებს (არის (ან ორთქლის) მოლეკულებიდან სითხის მოცემულ მოლეკულაზე მოქმედი ძალები შეიძლება უგულებელყოფილი იყოს). შედეგად, ჩნდება გარკვეული შედეგიანი ძალა, რომელიც მიმართულია სითხეში ღრმად (ნახ. 2).

ნახ.2

თუ მოლეკულა ზედაპირიდან სითხეში გადადის, მოლეკულათაშორისი ურთიერთქმედების ძალები დადებითად იმოქმედებენ. პირიქით, სითხის სიღრმიდან ზედაპირზე გარკვეული რაოდენობის მოლეკულების ამოსაყვანად (ანუ სითხის ზედაპირის ფართობის გასაზრდელად), საჭიროა გარე ძალების ΔA დადებითი მუშაობის დახარჯვა. ext, ზედაპირის ფართობის ΔS ცვლილების პროპორციულია:
ΔA გარე = σΔS.
კოეფიციენტს σ ეწოდება ზედაპირული დაძაბულობის კოეფიციენტი (σ > 0). ამრიგად, ზედაპირული დაძაბულობის კოეფიციენტი უდრის სამუშაოს, რომელიც საჭიროა სითხის ზედაპირის ფართობის გაზრდისთვის მუდმივ ტემპერატურაზე ერთი ერთეულით.

SI-ში ზედაპირული დაძაბულობის კოეფიციენტი იზომება ჯოულებში კვადრატულ მეტრზე (J / m 2) ან ნიუტონებში მეტრზე (1 N / m \u003d 1 J / m 2).

შესაბამისად, სითხის ზედაპირული ფენის მოლეკულებს აქვთ ჭარბი პოტენციური ენერგია სითხის შიგნით არსებულ მოლეკულებთან შედარებით. თხევადი ზედაპირის პოტენციური ენერგია E p არის მისი ფართობის პროპორციული:
ე გვ = ა გარე = σS.
მექანიკიდან ცნობილია, რომ სისტემის წონასწორობის მდგომარეობები შეესაბამება მისი პოტენციური ენერგიის მინიმალურ მნიშვნელობას. აქედან გამომდინარეობს, რომ სითხის თავისუფალი ზედაპირი მიდრეკილია შეამციროს მისი ფართობი. ამ მიზეზით, სითხის თავისუფალი წვეთი იღებს სფერულ ფორმას (ნახ. 3).
.

ნახ.3
სითხე იქცევა ისე, თითქოს ძალები მოქმედებენ მის ზედაპირზე ტანგენციურად, ამცირებენ (შეკუმშვას) ამ ზედაპირს. ამ ძალებს ზედაპირული დაძაბულობის ძალებს უწოდებენ.

ზედაპირული დაძაბულობის ძალების არსებობა თხევადი ზედაპირს ელასტიურ დაჭიმულ გარს ჰგავს, ერთადერთი განსხვავებით, რომ ელასტიური ძალები ფირის ზედაპირის ფართობზეა დამოკიდებული (ე. არ არის დამოკიდებული სითხეების ზედაპირის ფართობზე.

ვინაიდან ნებისმიერი სისტემა სპონტანურად გადადის ისეთ მდგომარეობაში, რომელშიც მისი პოტენციური ენერგია მინიმალურია, სითხე სპონტანურად უნდა გადავიდეს ისეთ მდგომარეობაში, რომელშიც მისი თავისუფალი ზედაპირის ფართობი ყველაზე მცირეა. ამის ჩვენება შესაძლებელია შემდეგი ექსპერიმენტის გამოყენებით.

ასო P-ის სახით მოხრილ მავთულზე გამაგრებულია მოძრავი ჯვრის წევრი (სურ. 4). ამ გზით მიღებულ ჩარჩოს იჭიმება საპნის ფენით, ჩარჩოს ქვევით საპნიან ხსნარში. ხსნარიდან ჩარჩოს ამოღების შემდეგ, ჯვარი მაღლა მოძრაობს, ანუ მოლეკულური ძალები რეალურად ამცირებს სითხის თავისუფალ ზედაპირს.

ნახ.4
მას შემდეგ, რაც ბურთი აქვს ყველაზე მცირე ზედაპირის ფართობი იმავე მოცულობისთვის, სითხე უწონად მდგომარეობაში იღებს ბურთის ფორმას. ამავე მიზეზით, სითხის პატარა წვეთები სფერული ფორმისაა. საპნის ფილმების ფორმა სხვადასხვა ჩარჩოებზე ყოველთვის შეესაბამება სითხის უმცირეს თავისუფალ ფართობს.

პლატოს გამოცდილება

ნებისმიერი სითხის ბუნებრივი ფორმა არის სფერო. ჩვეულებრივ, გრავიტაცია ხელს უშლის სითხეს ამ ფორმის მიღებაში და სითხე ან თხელ ფენად ვრცელდება, თუ ჭურჭელი არ არის, ან ჭურჭლის ფორმას იღებს. იმავე სიმკვრივის სხვა სითხეში ყოფნისას, სითხე იღებს ბუნებრივ, სფერულ ფორმას.

ნახ.5
ზეითუნის ზეთი ცურავს წყალში, მაგრამ იძირება ალკოჰოლში. შეგიძლიათ მოამზადოთ წყლისა და ალკოჰოლის ნარევი, რომელშიც ზეთი წონასწორობაში იქნება. მინის მილის ან შპრიცის გამოყენებით ამ ნარევში ცოტაოდენი ზეითუნის ზეთი შევიტანოთ: ზეთი შეგროვდება ერთ სფერულ წვეთად, რომელიც სითხეში უმოძრაოდ ჩამოკიდება. თუ მავთულს გაივლით ზეთის ბურთის ცენტრში და დაატრიალებთ მას, ზეთის ბურთი იწყებს გაბრტყელებას, შემდეგ კი, რამდენიმე წამის შემდეგ, მისგან გამოიყოფა პატარა სფერული ზეთის წვეთების რგოლი. ეს ექსპერიმენტი პირველად ბელგიელმა ფიზიკოსმა პლატომ გააკეთა.

გიგანტური მასშტაბით, ასეთი ფენომენი შეიძლება შეინიშნოს ჩვენს მზის ვარსკვლავსა და გიგანტურ პლანეტებზე. ეს ციური სხეულები თავიანთი ღერძის გარშემო ძალიან სწრაფად ბრუნავენ. ამ ბრუნვის შედეგად სხეულები ძალზე ძლიერად შეკუმშულია პოლუსებზე.

სურ.6

დამსველებისა და დაუსველების ფენომენები. კიდეების კუთხე.

დამსველებელი და დაუსველებელი – ბუნებაში და ტექნოლოგიაში ფართოდ არის გავრცელებული კაპილარული ფენომენი. ისინი მნიშვნელოვანია როგორც ყოველდღიურ ცხოვრებაში, ასევე უმნიშვნელოვანესი სამეცნიერო და ტექნიკური პრობლემების გადასაჭრელად. ამ საკითხებზე ცოდნა საშუალებას გაძლევთ უპასუხოთ ბევრ კითხვას. მაგალითად, რომ კაპილარული ფენომენი იძლევა ნიადაგიდან საკვები ნივთიერებების და ტენის შეწოვას მცენარეულობის ფესვთა სისტემის მიერ, რომ სისხლის მიმოქცევა ცოცხალ ორგანიზმებში ემყარება კაპილარული ფენომენს, რა არის ფლოტაცია და სად იპოვა იგი გამოყენება, რატომ არის ზოგიერთი მყარი. კარგად სველდება სითხით, სხვები ცუდია და ა.შ.

თუ შუშის ღეროს ვერცხლისწყალში ჩააშვებთ და შემდეგ ამოიღებთ, მასზე ვერცხლისწყალი არ იქნება. თუ ეს ჯოხი წყალში ჩაშვება, მაშინ ამოღების შემდეგ მის ბოლოში წყლის წვეთი დარჩება. ეს გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ვერცხლისწყლის მოლეკულები უფრო ძლიერად იზიდავს ერთმანეთს, ვიდრე მინის მოლეკულები, ხოლო წყლის მოლეკულები უფრო ნაკლებად იზიდავს ერთმანეთს, ვიდრე მინის მოლეკულები.

თუ სითხის მოლეკულები ერთმანეთს უფრო სუსტად იზიდავს, ვიდრე მყარის მოლეკულები, მაშინ სითხე ე.წ. დასველებაამ ნივთიერებას. მაგალითად, წყალი ასველებს სუფთა მინას და არ ასველებს პარაფინს. თუ სითხის მოლეკულები ერთმანეთს უფრო ძლიერად იზიდავს, ვიდრე მყარი ნივთიერების მოლეკულებს, მაშინ სითხეს ეწოდება ამ ნივთიერების დაუსველებელი. ვერცხლისწყალი არ სველებს მინას, მაგრამ სველებს სუფთა სპილენძს და თუთიას.

მოვათავსოთ რაიმე მყარი ნივთიერების ჰორიზონტალურად ბრტყელი ფირფიტა და საცდელი სითხე ჩამოვასხათ მასზე. შემდეგ წვეთი განთავსდება ან როგორც ნაჩვენებია ნახ. 7 ( ა), ან როგორც ნაჩვენებია ნახ. 7 ( ბ).

ა) ბ)

ნახ.7.
პირველ შემთხვევაში სითხე მყარს სველებს, მეორეში კი არა. მე-5-ში მონიშნული θ კუთხე ეწოდება კონტაქტის კუთხე. კონტაქტის კუთხე წარმოიქმნება მყარი სხეულის ბრტყელი ზედაპირით და სითხის თავისუფალ ზედაპირზე ტანგენტის სიბრტყით, სადაც ესაზღვრება მყარი სხეული, თხევადი და აირი; კონტაქტის კუთხის შიგნით ყოველთვის არის სითხე. დამსველებელი სითხეებისთვის შეხების კუთხე მწვავეა, არადამსველებელი სითხეებისთვის კი ბლაგვია. იმისათვის, რომ გრავიტაციის მოქმედებამ არ დაამახინჯოს კონტაქტის კუთხე, წვეთი უნდა იქნას მიღებული რაც შეიძლება მცირე.

მას შემდეგ, რაც შეხების კუთხე θ შენარჩუნებულია მყარი ზედაპირის ვერტიკალურ მდგომარეობაში, დამსველებელი სითხე ჭურჭლის კიდეებზე, რომელშიც ის არის ჩასხმული, მაღლა იწევს, ხოლო არამსველებელი სითხე ეცემა.

სრული დასველებით, θ = 0, cos θ = 1.

სურ.8

კაპილარული ფენომენები ბუნებაში და ტექნოლოგიაში

სითხის აწევა კაპილარში გრძელდება მანამ, სანამ კაპილარში თხევადი სვეტზე მოქმედი სიმძიმის ძალა არ გახდება ტოლი მოდულით F n ზედაპირული დაძაბულობის ძალების, რომლებიც მოქმედებს სითხესა და კაპილარულ ზედაპირს შორის კონტაქტის საზღვრის გასწვრივ: F t = F n, სადაც F t = მგ = ρhπr 2 გ, F n = σ2πr cos θ.

ეს გულისხმობს:

ვიწრო მილებში თხევადი ზედაპირის გამრუდება იწვევს კომუნიკაციის გემების კანონის აშკარა დარღვევას.

ფორმულიდან ჩანს, რომ სიმაღლე თ რაც უფრო დიდია, მით უფრო მცირეა მილის შიდა რადიუსი რ. წყლის აწევას აქვს მნიშვნელოვანი მნიშვნელობა მილებში, რომელთა შიდა დიამეტრი შეესაბამება თმის დიამეტრს (ან უფრო ნაკლებს); ამიტომ, ასეთ მილებს კაპილარებს უწოდებენ (ბერძნულიდან "capillaris" - თმა, თხელი). დამსველებელი სითხე კაპილარებში ამოდის (სურ. 9, ა), ხოლო არამსველებელი სითხე ქვევით მიდის (ნახ. 9, ბ).

ნახ.9


კაპილარული ფენომენი შეიძლება შეინიშნოს არა მხოლოდ მილებში, არამედ ვიწრო ჭრილებშიც. თუ ორ შუშის ფირფიტას წყალში ჩაუშვებთ ისე, რომ მათ შორის ვიწრო უფსკრული წარმოიქმნას, მაშინ თეფშებს შორის წყალი ამაღლდება და რაც უფრო მაღლა დგას ისინი უფრო ახლოს. კაპილარული ფენომენი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ბუნებასა და ტექნოლოგიაში. ბევრი პატარა კაპილარი გვხვდება მცენარეებში. ხეებში, ნიადაგიდან ტენიანობა კაპილარების მეშვეობით ადის ხეების მწვერვალებამდე, სადაც ის აორთქლდება ფოთლების მეშვეობით ატმოსფეროში. ნიადაგში არის კაპილარები, რომლებიც უფრო ვიწროა, რაც უფრო მკვრივია ნიადაგი. ამ კაპილარების გავლით წყალი ამოდის ზედაპირზე და სწრაფად აორთქლდება და დედამიწა მშრალი ხდება. ადრეული გაზაფხულის ხვნა ანადგურებს კაპილარებს, ანუ ინარჩუნებს ნიადაგის ტენიანობას და ზრდის მოსავლიანობას.

ტექნოლოგიაში დიდი მნიშვნელობა ენიჭება კაპილარულ მოვლენებს, მაგალითად, კაპილარულ-ფოროვანი სხეულების გაშრობის პროცესებში და ა.შ. კაპილარული ფენომენები დიდი მნიშვნელობა აქვს სამშენებლო ბიზნესში. მაგალითად, ისე, რომ აგურის კედელი არ დასველდეს, სახლის საძირკველსა და კედელს შორის კეთდება შუასადებები ნივთიერებისგან, რომელშიც კაპილარები არ არის. ქაღალდის მრეწველობაში, სხვადასხვა კლასის ქაღალდის დამზადებისას მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული კაპილარულობა. მაგალითად, საწერი ქაღალდის დამზადებისას იგი გაჟღენთილია სპეციალური ნაერთით, რომელიც ბლოკავს კაპილარებს. ყოველდღიურ ცხოვრებაში კაპილარული ფენომენები გამოიყენება ფითილებში, ქაღალდებში, მელნის მიწოდების კალმებში და ა.შ.

მცენარეთა და ცხოველთა ქსოვილების უმეტესობა გაჟღენთილია კაპილარული გემების დიდი რაოდენობით. კაპილარებში ხდება ძირითადი პროცესები, რომლებიც დაკავშირებულია სხეულის სუნთქვასა და კვებასთან, ცხოვრების ყველა ყველაზე რთული ქიმია მჭიდროდ არის დაკავშირებული დიფუზიურ მოვლენებთან. ხეების ტოტები, მცენარეების ტოტები და ღეროები შეაღწევს დიდი რაოდენობით კაპილარული მილებით, რომელთა მეშვეობითაც საკვები ნივთიერებები მაღლა აწევს ფოთლებს. მცენარეთა ფესვთა სისტემა მთავრდება უწვრილესი ძაფებით-კაპილარებით. და თავად ნიადაგი, ფესვის კვების წყარო, შეიძლება წარმოდგენილი იყოს კაპილარული მილების ერთობლიობით, რომლის მეშვეობითაც, სტრუქტურისა და დამუშავების მიხედვით, მასში გახსნილი ნივთიერებების წყალი უფრო სწრაფად ან ნელა ამოდის ზედაპირზე. კაპილარებში სითხის აწევის სიმაღლე რაც უფრო დიდია, მით უფრო მცირეა მისი დიამეტრი. აქედან ირკვევა, რომ ტენიანობის შესანარჩუნებლად საჭიროა ნიადაგის გათხრა, ხოლო დასაწურებლად - დატკეპნა.

ზედაპირული ფენომენების როლი ბუნებაში მრავალფეროვანია. მაგალითად, წყლის ზედაპირის ფირი მრავალი ორგანიზმის საყრდენია მოძრაობისას. მოძრაობის ეს ფორმა გვხვდება წვრილ მწერებში და არაქნიდებში. ყველაზე ცნობილი წყლის მცურავი ეყრდნობა წყალს მხოლოდ ფართოდ დაშორებული ფეხების ბოლო სეგმენტებით. ფეხი, დაფარული ცვილისებრი საფარით, არ სველდება წყლით, წყლის ზედაპირული ფენა ფეხის ზეწოლის ქვეშ იშლება და ქმნის პატარა დეპრესიას. სანაპირო ობობების ზოგიერთი სახეობა ანალოგიურად მოძრაობს, მაგრამ მათი ფეხები არ არის წყლის ზედაპირის პარალელურად, როგორც წყლის სრიდერებში, არამედ სწორი კუთხით.

ზოგიერთი ცხოველი, რომელიც ცხოვრობს წყალში, მაგრამ არ აქვს ღრძილები, შეჩერებულია ქვემოდან წყლის ზედაპირის ფირისკენ მათი სასუნთქი ორგანოების გარშემო არასველადი ჯაგარების დახმარებით. ამ ტექნიკას იყენებენ კოღოს ლარვები (მათ შორის მალარიული).

წყლის ფრინველის ბუმბული და ძირი ყოველთვის უხვად არის გაჟღენთილი სპეციალური ჯირკვლების ცხიმოვანი სეკრეციით, რაც ხსნის მათ გაუვალობას. ჰაერის სქელი ფენა, რომელიც ჩასმულია იხვის ბუმბულებს შორის და არ არის გადაადგილებული წყლისგან, არა მხოლოდ იცავს იხვი სითბოს დაკარგვისგან, არამედ მნიშვნელოვნად ზრდის ტენიანობის ზღვარს, მოქმედებს როგორც სამაშველო ქამარი.

ფოთლებზე ცვილისებრი საფარი ხელს უშლის ეგრეთ წოდებული სტომატების დატბორვას, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მცენარეების სწორი სუნთქვის დარღვევა. იგივე ცვილის საფარის არსებობა ხსნის ჩალის სახურავის, თივის და ა.შ. წყალგამძლეობას.

მთავარი ორგანო, რომელიც მოიხმარს ტენიანობას, სადაც წყალი მუდმივად საჭიროა, მათ შორის ფოტოსინთეზისთვის, არის ფოთოლი, რომელიც მდებარეობს ფესვიდან მოშორებით. გარდა ამისა, ფოთოლი გარშემორტყმულია ჰაერით, რომელიც ხშირად მისგან წყალს „აქვთ“ წყლის ორთქლით „გაჯერების მიზნით“. ჩნდება წინააღმდეგობა: ფოთოლს გამუდმებით სჭირდება წყალი, მაგრამ მუდმივად კარგავს, ფესვს კი მუდმივად ჭარბი წყალი აქვს, თუმცა მისი მოშორება არ ეწინააღმდეგება. ამ პრობლემის გადაწყვეტა აშკარაა: საჭიროა ზედმეტი წყლის ამოტუმბვა ფესვიდან ფოთლებზე. ასეთი წყალმომარაგების სისტემის როლს ღერო იღებს. იგი წყალს აწვდის ფოთლებს სპეციალური მილების - კაპილარების მეშვეობით. ანგიოსპერმებში ისინი ყველაზე სრულყოფილი და გრძელი (თვითმცენარის ზრდისას) ღრუ ჭურჭელია, რომელთა კედლები შემოსილია ცელულოზითა და ლიგნინით. ასეთი გამტარ გემების სისტემას ეწოდება ქსილემი (ბერძნული ქსილონიდან - ტყე, ხის ბლოკი).

თუ ფესვის ქსილემის სისხლძარღვების სანათურში კონცენტრირებულია მინერალური ნივთიერებები, რომლებიც ფესვმა შეიწოვება ნიადაგიდან, წყალი შემოდის ქსილემში მიმდებარე ფესვის უჯრედებიდან ოსმოსის მექანიზმით.

"წყლის ტუმბოს" მექანიზმი შედგება ორი ოსმოსური ტუმბოსგან და გემის კედლების კაპილარული ძალებისგან.

Სისხლძარღვები

მთელი სხეული იჭრება სისხლძარღვებით. ისინი განსხვავდებიან სტრუქტურაში. არტერიები არის სისხლძარღვები, რომლებიც ატარებენ სისხლს გულიდან. მათ აქვთ მკვრივი ელასტიური ელასტიური კედლები, რომლებიც მოიცავს გლუვ კუნთებს. როდესაც გული იკუმშება, ის გამოდევნის სისხლს მაღალი წნევის ქვეშ არტერიაში. არტერიის კედლების სიმკვრივისა და ელასტიურობის გამო უძლებს ამ წნევას და იჭიმება.

გულიდან მოშორებისას დიდი არტერიები იშლება. ყველაზე პატარა არტერიები იშლება ყველაზე თხელ კაპილარებში. მათი კედლები იქმნება ბრტყელი უჯრედების ერთი ფენით. კაპილარების კედლების მეშვეობით სისხლის პლაზმაში გახსნილი ნივთიერებები გადადიან ქსოვილის სითხეში და მისგან შედიან უჯრედებში. უჯრედების ნარჩენი პროდუქტები ქსოვილის სითხიდან კაპილარების კედლებში აღწევს სისხლში. ადამიანის სხეულში დაახლოებით 150 მილიარდი კაპილარია. თუ ყველა კაპილარი ერთ ხაზზეა დახატული, მაშინ მას შეუძლია ორნახევარჯერ შემოუაროს გლობუსს ეკვატორის გასწვრივ. კაპილარების სისხლი გროვდება ვენებში - სისხლძარღვებში, რომლებითაც სისხლი გადადის გულში. ვენებში წნევა მცირეა, მათი კედლები უფრო თხელია ვიდრე არტერიების კედლები.

ქაფი ადამიანის სამსახურში

ეს არ იყო თეორია, რამაც გამოიწვია ფლოტაციის იდეა, არამედ შემთხვევითი ფაქტის ფრთხილად დაკვირვება. XIX საუკუნის ბოლოს. ამერიკელმა მასწავლებელმა კარი ევერსონმა, რომელიც რეცხავდა ცხიმიან ჩანთებს, რომლებშიც ინახებოდა სპილენძის პირიტი, ყურადღება გაამახვილა იმ ფაქტზე, რომ პირიტის მარცვლები საპნის ფაფუკით ცურავს. ეს იყო იმპულსი ფლოტაციის მეთოდის შემუშავებისთვის. ეს მეთოდი ფართოდ გამოიყენება სამთო და მეტალურგიულ მრეწველობაში მადნის დასამუშავებლად, ე.ი. გაზარდოს მათში ღირებული კომპონენტების შედარებითი შემცველობა. ფლოტაციის არსი შემდეგია. წვრილად დაფქული მადანი იტვირთება წყლისა და ზეთოვანი ნივთიერებების ჭურჭელში, რომელსაც შეუძლია სასარგებლო მინერალის ნაწილაკები დაფაროს ყველაზე თხელი ფენით, რომელიც არ არის დასველებული წყლით. ნარევს ენერგიულად ურევენ ჰაერს, ისე რომ წარმოიქმნება ბევრი პაწაწინა ბუშტი - ქაფი. ამავდროულად, სასარგებლო მინერალის ნაწილაკები, რომლებიც ჩაცმულია თხელ ზეთოვან გარსში, ჰაერის ბუშტის გარსთან შეხებისას, ეწებება მას, ეკიდება ბუშტს და ატარებს მას, როგორც ბუშტზე. ნარჩენი ქანების ნაწილაკები, რომლებიც არ არის დაფარული ზეთოვანი ნივთიერებით, არ ეკვრის გარსს და რჩება სითხეში. შედეგად, თითქმის ყველა სასარგებლო მინერალური ნაწილაკი სითხის ზედაპირზე ქაფში ჩნდება. ქაფი ამოღებულია და იგზავნება შემდგომი დამუშავებისთვის - კონცენტრატის მისაღებად ე.წ .

ფლოტაციის ტექნიკა საშუალებას იძლევა, შერეული სითხეების სათანადო შერჩევით, გამოვყოთ საჭირო სასარგებლო მინერალი ნებისმიერი შემადგენლობის ნარჩენებისგან.

პრაქტიკული ნაწილი

"ფოროვანი ქაღალდის სხვადასხვა ნიმუშების კაპილარული თვისებების შესწავლა"

ობიექტური: ფოროვანი ქაღალდის სხვადასხვა ნიმუშების (მაგალითად, სხვადასხვა მწარმოებლის ქაღალდის ხელსახოცების) კაპილარული თვისებების შესწავლა.

მოწყობილობები და მასალები: ქაღალდის ნიმუშები, გამოხდილი წყალი, სახაზავი, აბაზანა.

შესრულების მეთოდი:

მწარმოებლის სახელი			სავარაუდო კაპილარული რადიუსი, 10 -5 მ
	2,25 2,3	2,25	0,6621	4
შპს "BRIZ", ნოვოროსიისკი	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

მე გავიმეორე ექსპერიმენტი, შევცვალე წყალი რძით.

რძე 2,5%;

გამოთვლებში გამოვიყენე შემდეგი ცხრილის მნიშვნელობები:

 - რძის სიმკვრივე (1,03x10 3 კგ / მ 3);

 - ზედაპირული დაძაბულობა (რძისთვის ჰაერის საზღვარზე  = 46x10 -3 ნ/მ)

მწარმოებლის სახელი	სითხის ამწევის სიმაღლე, 10 -2 მ	სითხის აწევის სიმაღლის საშუალო მნიშვნელობა 10 -2 მ	სავარაუდო კაპილარული რადიუსი, 10 -3 მ	ტენის შთანთქმის ხარისხის შეფასება 4-პუნქტიანი სისტემის მიხედვით
OOO რუსული ქაღალდი ALL Products, Bryansk	1,1 1,1	1,09	0,836	4
შპს "BRIZ", ნოვოროსიისკი	0,8 0,55	0,64	1,424	3
შპს New Technologies, კრასნოდარი	0,3 0,38	0,31	2,94	2
IP Kitaikin A.B. ნოვოშახტინსკი, როსტოვის ოლქი	0,98 1,0	0,97	0,94	4

დასკვნები და დასკვნები

1. 
   ჩატარებული სამუშაოების შედეგად მიღებული იქნა სხვადასხვა მწარმოებლის ქაღალდის ხელსახოცების ხარისხის ობიექტური შეფასება.
2. 
   საუკეთესო შედეგები აჩვენა შემდეგი მწარმოებლების ნიმუშებმა: LLC Russian Paper ALL Products, Bryansk და IP Kitaikin A.B. ნოვოშახტინსკი, როსტოვის ოლქი
3. 
   ყველაზე ცუდი იყო შპს New Technologies-ის, კრასნოდარის ხელსახოცები, რომლებიც დამზადებულია მაღაზიათა ქსელის მაგნიტისთვის.
4. 
   საუკეთესო ხელსახოცების რეკომენდაცია შესაძლებელია 43-ე ლიცეუმის სასადილო ოთახში გამოსაყენებლად.

ბიბლიოგრაფიული სია

1. 
   ფიზიკური ენციკლოპედია. http://enc-dic.com/enc_physics/Kapilljarne-javlenija-911.html
2. 
   სითხეების თვისებები http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=161&Itemid=72#q3
3. 
   კაპილარული ფენომენები. http://seaniv2006.narod.ru/1191.html (03.12.12)

კაპილარული ფენომენები, ზედაპირის ფენომენები სითხის საზღვარზე სხვა გარემოსთან, დაკავშირებული მისი ზედაპირის გამრუდებასთან. თხევადი ზედაპირის გამრუდება გაზის ფაზასთან საზღვარზე ხდება სითხის ზედაპირული დაძაბულობის მოქმედების შედეგად, რაც ამცირებს ინტერფეისს და სითხის შეზღუდულ მოცულობას ბურთის ფორმას აძლევს. ვინაიდან სფეროს აქვს მინიმალური ზედაპირის ფართობი მოცემული მოცულობისთვის, ეს ფორმა შეესაბამება სითხის მინიმალურ ზედაპირულ ენერგიას, ე.ი. მისი სტაბილური წონასწორობის მდგომარეობა. სითხის საკმარისად დიდი მასების შემთხვევაში, ზედაპირული დაძაბულობის ეფექტი კომპენსირდება გრავიტაციით, ამიტომ დაბალი სიბლანტის სითხე სწრაფად იღებს ჭურჭლის ფორმას, რომელშიც ასხამენ და ის თავისუფალია. ზედაპირი თითქმის ბრტყელი ჩანს.

სიმძიმის არარსებობის ან ძალიან მცირე მასების შემთხვევაში სითხე ყოველთვის იღებს სფერულ ფორმას (წვეთს), რომლის ზედაპირის გამრუდება მრავალ ფაქტორს განაპირობებს. ნივთიერების თვისებები. მაშასადამე, კაპილარული ფენომენი გამოხატულია და მნიშვნელოვან როლს ასრულებს უწონის პირობებში, აიროვან გარემოში სითხის ჩახშობის დროს (ან გაზის სითხეში შესხურებისას) და მრავალი წვეთისაგან ან ბუშტისგან შემდგარი სისტემების წარმოქმნის დროს (ემულსიები, აეროზოლები). , ქაფდება), თხევადი წვეთების ახალი ფაზის გაჩენისას ორთქლების კონდენსაციის დროს, ორთქლის ბუშტები დუღილის დროს, კრისტალიზაციის ბირთვები. როდესაც სითხე შედის კონტაქტში შედედებულ სხეულებთან (სხვა სითხე ან მყარი), ინტერფეისის გამრუდება ხდება ინტერფეისის დაძაბულობის მოქმედების შედეგად.

დატენიანების შემთხვევაში, მაგალითად, როდესაც სითხე შედის ჭურჭლის მყარ კედელთან კონტაქტში, მყარი და სითხის მოლეკულებს შორის მოქმედი მიზიდულობის ძალები იწვევს მის აწევას ჭურჭლის კედლის გასწვრივ, რის შედეგადაც კედლის მიმდებარე თხევადი ზედაპირის მონაკვეთი იღებს ჩაზნექილ ფორმას. ვიწრო არხებში, მაგალითად, ცილინდრულ კაპილარებში წარმოიქმნება ჩაზნექილი მენისკი - სრულიად მოხრილი თხევადი ზედაპირი (სურ. 1).

ბრინჯი. 1. კაპილარული ამაღლება თსითხე ატენიანებს რადიუსის კაპილარების კედლებს r; q - დამსველების კონტაქტის კუთხე.

კაპილარული წნევა.

ვინაიდან ზედაპირული (ინტერფეისტური) დაძაბულობის ძალები მიმართულია ტანგენციურად სითხის ზედაპირზე, ამ უკანასკნელის გამრუდება იწვევს სითხის მოცულობის შიგნით მიმართული კომპონენტის გამოჩენას. შედეგად, წარმოიქმნება კაპილარული წნევა, რომლის მნიშვნელობა Dp დაკავშირებულია ზედაპირის გამრუდების საშუალო რადიუსთან r 0 ლაპლასის განტოლებით:

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

სადაც p 1 და p 2 - წნევა სითხეში 1 და მეზობელ ფაზაში 2 (გაზი ან სითხე), s 12 - ზედაპირული (ინტერფეისტური) დაძაბულობა.

თუ თხევადი ზედაპირი ჩაზნექილია (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) Dp-ის ნიშანი შებრუნებულია. უარყოფითი კაპილარული წნევა, რომელიც წარმოიქმნება, როდესაც კაპილარების კედლები სველდება სითხით, მივყავართ იმ ფაქტს, რომ სითხე შეიწოვება კაპილარში თხევადი სვეტის სიმაღლის წონამდე. თარ დააბალანსებს წნევის ვარდნას Dp. წონასწორობის მდგომარეობაში კაპილარების აწევის სიმაღლე განისაზღვრება ჯურინის ფორმულით:

სადაც r 1 და r 2 არის სითხის 1 და საშუალო 2 სიმკვრივე, g არის სიმძიმის აჩქარება, r არის კაპილარების რადიუსი, q არის დამსველების კუთხე. სითხეებისთვის, რომლებიც არ ატენიანებენ კაპილარების კედლებს, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

გამოთქმიდან (2) მოყვება სითხის კაპილარული მუდმივის განმარტება ა= 1/2. მას აქვს სიგრძის განზომილება და ახასიათებს ხაზოვან ზომას ზ[ა,რომლის დროსაც კაპილარული ფენომენი ხდება მნიშვნელოვანი, ასე რომ, წყლისთვის 20 ° C ტემპერატურაზე a = 0,38 სმ სუსტი სიმძიმის (გ: 0) მნიშვნელობა აიზრდება. ნაწილაკებთან კონტაქტის არეში კაპილარული კონდენსაცია იწვევს ნაწილაკების შეკუმშვას შემცირებული წნევის Dp მოქმედებით.< 0.

კელვინის განტოლება.

თხევადი ზედაპირის გამრუდება იწვევს წონასწორობის ორთქლის წნევის ცვლილებას მის ზემოთ რგაჯერებული ორთქლის წნევასთან შედარებით psიმავე ტემპერატურაზე ბრტყელ ზედაპირზე ზემოთ თ.ეს ცვლილებები აღწერილია კელვინის განტოლებით:

სადაც არის სითხის მოლური მოცულობა, R არის აირის მუდმივი. ორთქლის წნევის შემცირება ან გაზრდა დამოკიდებულია ზედაპირის გამრუდების ნიშანზე: ამოზნექილ ზედაპირებზე (r 0 > 0) p > p s ;ჩაზნექილი (r 0< 0) რ< р s . . ასე რომ, წვეთების ზემოთ, ორთქლის წნევა იზრდება; ბუშტებში, პირიქით, ქვეითდება.

კელვინის განტოლების საფუძველზე გამოითვლება კაპილარების ან ფოროვანი სხეულების შევსება კაპილარული კონდენსაცია.ვინაიდან ღირებულებები რგანსხვავდებიან სხვადასხვა ზომის ნაწილაკებისთვის ან დეპრესიებითა და გამონაზარდებით ზედაპირის ფართობებისთვის, განტოლება (3) ასევე განსაზღვრავს მატერიის გადაცემის მიმართულებას სისტემის წონასწორობის მდგომარეობაში გადასვლის პროცესში. ეს იწვევს, კერძოდ, იმ ფაქტს, რომ შედარებით დიდი წვეთები ან ნაწილაკები იზრდება უფრო მცირე აორთქლების (დაშლის) გამო, ხოლო არაკრისტალური სხეულების ზედაპირული დარღვევები იშლება გამონაყარის დაშლისა და დეპრესიების შეხორცების გამო. . ორთქლის წნევასა და ხსნადობაში შესამჩნევი განსხვავებები ხდება მხოლოდ საკმარისად მცირე r 0-ზე (წყალისთვის, მაგალითად, r 0-ზე. ამიტომ, კელვინის განტოლება ხშირად გამოიყენება კოლოიდური სისტემების და ფოროვანი სხეულების მდგომარეობისა და მათში მიმდინარე პროცესების დასახასიათებლად.

ბრინჯი. 2. სითხის გადატანა სიგრძის მიხედვით ლ r რადიუსის კაპილარში; q - კონტაქტის კუთხე.

კაპილარული გაჟღენთვა.

ჩაზნექილი მენისკის ქვეშ წნევის დაქვეითება ერთ-ერთი მიზეზია სითხის კაპილარული მოძრაობისა მენისისაკენ უფრო მცირე გამრუდების რადიუსით. ამის განსაკუთრებული შემთხვევაა ფოროვანი სხეულების გაჟღენთვა - სითხეების სპონტანური შეწოვა ლიოფილურ ფორებსა და კაპილარებში (სურ. 2). სიჩქარე ვმენისკის მოძრაობა ჰორიზონტალურად განლაგებულ კაპილარში (ან ძალიან თხელ ვერტიკალურ კაპილარში, როდესაც გრავიტაციის გავლენა მცირეა) განისაზღვრება პუაზის განტოლებით:

სადაც ლარის აბსორბირებული სითხის მონაკვეთის სიგრძე, h არის მისი სიბლანტე, Dp არის წნევის ვარდნა განყოფილებაში ლ, მენისკის კაპილარული წნევის ტოლია: Dp = - 2s 12 cos q/r. თუ კონტაქტის კუთხე q არ არის დამოკიდებული სიჩქარეზე v,დროის განმავლობაში შთანთქმის სითხის რაოდენობის გამოთვლა შესაძლებელია ტთანაფარდობიდან:

ლ(ტ) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)

თუ q ფუნქციაა ვ, მაშინ ლდა ვასოცირდება უფრო რთულ ურთიერთობებთან.

განტოლებები (4) და (5) გამოიყენება გაჟღენთის სიჩქარის გამოსათვლელად ხის ანტისეპტიკებით დამუშავებისას, ქსოვილების შეღებვისას, ფოროვან მატარებლებზე კატალიზატორების გამოყენებისას, ძვირფასი ქანების კომპონენტების გაჟონვისა და დიფუზიური ექსტრაქციისას და ა.შ. გაჟღენთის დასაჩქარებლად, ხშირად გამოიყენება ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები. გამოიყენება, რომლებიც აუმჯობესებენ დატენიანებას q კონტაქტის კუთხის შემცირებით. კაპილარული გაჟღენთის ერთ-ერთი ვარიანტია ერთი სითხის გადაადგილება ფოროვანი საშუალებიდან მეორის მიერ, რომელიც არ ერევა ფორების ზედაპირს პირველ და უკეთესად დატენიანებას. ეს არის საფუძველი, მაგალითად, რეზერვუარებიდან ნარჩენი ზეთის ამოღების მეთოდებს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების წყალხსნარებით და ვერცხლისწყლის ფორომეტრიის მეთოდებს. ხსნარების ფორებში კაპილარული შეწოვა და ფორებიდან შეურევადი სითხეების გადაადგილება, რომელსაც თან ახლავს კომპონენტების ადსორბცია და დიფუზია, განიხილება ფიზიკოქიმიური ჰიდროდინამიკის მიხედვით.

გარდა სითხის აღწერილი წონასწორობის მდგომარეობებისა და მისი მოძრაობის ფორებსა და კაპილარებში, სითხის ძალიან მცირე მოცულობის წონასწორობის მდგომარეობებს, განსაკუთრებით თხელი ფენებისა და ფენების წონასწორობას ასევე უწოდებენ კაპილარულ ფენომენს. ამ კაპილარულ ფენომენებს ხშირად მოიხსენიებენ, როგორც II ტიპის კაპილარულ მოვლენებს. ისინი ხასიათდებიან, მაგალითად, სითხის ზედაპირული დაძაბულობის დამოკიდებულებით წვეთების რადიუსზე და ხაზოვანი დაჭიმვით. კაპილარული ფენომენები პირველად შეისწავლეს ლეონარდო და ვინჩიმ (1561), ბ. პასკალმა (XVII ს.) და ჯ. ჟურინმა (XVIII საუკუნე) კაპილარული მილების ექსპერიმენტებში. კაპილარული ფენომენების თეორია შემუშავებულია პ.ლაპლასის (1806), ტ.იუნგის (1804), ა.იუ.დავიდოვის (1851), ჯ.ვ.გიბსის (1876), ი.ს.გრომეკას (1879,1886) ნაშრომებში. მეორე ტიპის კაპილარული ფენომენების თეორიის განვითარების დასაწყისი ჩაეყარა B.V. Deryagin-ისა და L.M. Shcherbakov-ის ნაშრომებს.

კაპილარული ფენომენი- ფენომენების ერთობლიობა, რომელიც გამოწვეულია ზედაპირული ზედაპირული დაძაბულობის მოქმედებით შეურევადი მედიის ინტერფეისზე; კ ი. ჩვეულებრივ მოიცავს სითხეებში მოვლენებს, რომლებიც გამოწვეულია მათი ზედაპირის გამრუდებით, ესაზღვრება სხვა სითხეს, გაზს ან სათანადო. ბორანი. ზედაპირული ფენომენების განსაკუთრებული შემთხვევაა K. Ya. სითხის არარსებობის შემთხვევაში ზედაპირი ყოველთვის მოხრილია. გავლენის ქვეშ, სითხის შეზღუდული მოცულობა მიდრეკილია ბურთის სახით მიიღოს, ანუ დაიკავოს მოცულობა მინ. ზედაპირი. გრავიტაციული ძალები მნიშვნელოვნად ცვლის სურათს. შედარებით დაბალი სიბლანტის მქონე სითხე სწრაფად იღებს ჭურჭლის ფორმას, რომელშიც ისხმება და თავისუფალ ზედაპირს (ჭურჭლის კედლებთან არა) საკმარისად დიდი მასის სითხისა და დიდი ფართობის შემთხვევაში. თავისუფალი ზედაპირი პრაქტიკულად ბრტყელია. თუმცა, როდესაც სითხის მასა მცირდება, ზედაპირული დაძაბულობის როლი უფრო მნიშვნელოვანი ხდება, ვიდრე სიმძიმის ძალა. ასე რომ, მაგალითად, გაზში სითხის ჩახშობისას (ან გაზის სითხეში), წარმოიქმნება წვეთები (ბუშტები) სფერული. ფორმები. სისტემების თვისებები, რომლებიც შეიცავს დიდი რაოდენობით წვეთებს ან ბუშტებს (ემულსიები, თხევადი აეროზოლები, ქაფი) და მათი ფორმირების პირობები დიდწილად განისაზღვრება ამ წარმონაქმნების ზედაპირის გამრუდებით, ანუ K. I. K.I-ს დიდი როლი. ისინი ასევე თამაშობენ ნუკლეაციაში ორთქლის კონდენსაციის, თხევადი დუღილისა და კრისტალიზაციის დროს. სითხის ზედაპირის გამრუდება ასევე შეიძლება მოხდეს მისი სხვა სითხის ან მყარი ზედაპირთან ურთიერთქმედების შედეგად. ამ შემთხვევაში, ყოფნა ან არარსებობა დასველებასითხე ამ ზედაპირზე. თუ ეს ხდება, ანუ სითხის 1 მოლეკულები (ნახ. 1) უფრო ძლიერად ურთიერთქმედებენ მყარი სხეულის ზედაპირთან 3, ვიდრე სხვა სითხის (ან აირის) 2 მოლეკულებთან, მაშინ სხვაობის გავლენის ქვეშ ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების ძალები, სითხე ამოდის ჭურჭლის კედლის გასწვრივ და მყარი სხეულის მიმდებარედ, სითხის ზედაპირის მონაკვეთი მოხრილი იქნება. ჰიდროსტატიკური სითხის დონის აწევით გამოწვეული წნევა დაბალანსებულია კაპილარული წნევა- წნევის განსხვავება მოხრილი ზედაპირის ზემოთ და ქვემოთ, რომლის მნიშვნელობა დაკავშირებულია თხევადი ზედაპირის ადგილობრივ გამრუდებასთან. თუ ჭურჭლის ბრტყელ კედლებს მიახლოვებთ სითხეს, მაშინ გამრუდების ზონები გადაიფარება და წარმოიქმნება მენისკი - სრულიად მოხრილი ზედაპირი. ასეთ კაპილარში ჩაზნექილი მენისკის ქვეშ დასველების პირობებში წნევა იკლებს, სითხე მატულობს; თხევადი სვეტის წონა. h 0 აბალანსებს კაპილარულ წნევას Dр. წონასწორობაში

ზედაპირული დაძაბულობის დადგენა შედარებით ადვილია ექსპერიმენტულად. არსებობს ზედაპირული დაძაბულობის განსაზღვრის სხვადასხვა მეთოდი, რომლებიც იყოფა სტატიკური, ნახევრად სტატიკური და დინამიკური. სტატიკური მეთოდები ეფუძნება კაპილარულ მოვლენებს, რომლებიც დაკავშირებულია ინტერფეისის გამრუდებასთან.

ფაზებს შორის ზედაპირის გამრუდების გამოჩენისას იცვლება სხეულის შიდა წნევა და წარმოიქმნება დამატებითი (კაპილარული) ლაპლასის წნევა. R,რომელსაც შეუძლია გაზარდოს ან შეამციროს ბრტყელი ზედაპირისთვის დამახასიათებელი შიდა წნევა. ეს დამატებითი წნევა შეიძლება წარმოდგენილი იყოს, როგორც ზედაპირული დაძაბულობის ძალების შედეგი, რომელიც მიმართულია ზედაპირის პერპენდიკულარულ გამრუდების ცენტრში. გამრუდება შეიძლება იყოს დადებითი ან უარყოფითი (ნახ. 2.2).

ბრინჯი. 2.2.დადებითი (a) და უარყოფითი ზედაპირისთვის დამატებითი წნევის ფორმირების სქემა (ბ)გამრუდება

სითხის მოცულობის ცვლილება ხდება ზედაპირის ენერგიის სპონტანური შემცირებისა და სხეულის მოცულობის ცვლილების მექანიკურ ენერგიად გადაქცევის შედეგად. ამ შემთხვევაში, განტოლებაში (2.2) ჰელმჰოლცის ენერგიის მუდმივებზე T, n, qსაჭიროა მხოლოდ ორი ტერმინის გათვალისწინება. dF=-pdV+ods. წონასწორობის დროს dF = 0, ასე რომ pdv=ods. ამ გამოთქმაში p = P- დამატებითი წნევა (ლაპლასის წნევა), უდრის წნევის სხვაობას სხეულზე ბრტყელ და მრუდე ზედაპირებზე წნევას შორის. (AR):

თანაფარდობას ზედაპირის გამრუდება ეწოდება.

სფერული ზედაპირისთვის. ამ გამოთქმის ჩანაცვლება

დამატებითი წნევის განტოლებაში ვიღებთ ლაპლასის განტოლებას:

სადაც გ- გამრუდების რადიუსი; - გამრუდება ან დისპერსიულობა (ნახ. 2.3).

თუ ზედაპირს აქვს არარეგულარული ფორმა, გამოიყენება საშუალო სიმრუდის კონცეფცია და ლაპლასის განტოლება არის

სადაც Gr / * 2 - გამრუდების მთავარი რადიუსი.

ბრინჯი. 2.3.სითხის კაპილარული აწევა დამსველების (ა) და დაუსველების დროს (დაახლოებით)კაპილარული კედლები

ზედაპირული დაძაბულობისთვის, ლაპლასის განტოლება შეიძლება გადაიწეროს ფორმის სახით, რომელიც აჩვენებს ზედაპირის პროპორციულობას

კაპილარების დაძაბულობის რადიუსი გდა წნევა R,რომლის დროსაც გაზის ბუშტი გამოდის სითხეში ჩაძირული კაპილარიდან. სწორედ ამ პროპორციულობას ეფუძნება რეჰბინდერის ზედაპირული დაძაბულობის ექსპერიმენტული განსაზღვრის მეთოდი.

რეჰბინდერის მეთოდი ზომავს წნევას, რომლის დროსაც გაზის ბუშტი გამოდის კაპილარიდან, რომელიც სითხის მიერ არის დაშვებული. ბუშტის გადახტომის მომენტში გაზომილი წნევა კაპილარული წნევის ტოლი იქნება, ზედაპირის გამრუდების რადიუსს - კაპილარის რადიუსს. ექსპერიმენტში კაპილარული რადიუსის გაზომვა თითქმის შეუძლებელია, ამიტომ ტარდება ფარდობითი გაზომვები: წნევა განისაზღვრება გაზის ბუშტში, რომელიც გადახტება სითხეში ცნობილი ზედაპირული დაძაბულობის მქონე (ამ სითხეს ეწოდება სტანდარტული), შემდეგ კი. წნევა რგაზის ბუშტში, რომელიც გადახტება სითხეში განსაზღვრული ზედაპირული დაჭიმვით. გამოხდილი წყალი ჩვეულებრივ გამოიყენება როგორც სტანდარტული სითხე, ხოლო ბიდისტილატი გამოიყენება ზუსტი გაზომვებისთვის.

სტანდარტული სითხის ზედაპირული დაძაბულობის თანაფარდობა წნევასთან ბუშტში, რომელიც ხტება მასში, მუდმივი ეწოდება.

კაპილარული. ზედაპირული დაძაბულობის ცნობილი მნიშვნელობით

(t 0 და გაზომილი წნევა და რსტანდარტული და გამოკვლეული სითხისთვის ამ უკანასკნელის ზედაპირული დაძაბულობა განისაზღვრება ამ მეთოდის ძირითადი საანგარიშო ფორმულით:

თუ მნიშვნელობა ცნობილია მაღალი სიზუსტით, მაშინ ზუსტი იქნება განსაზღვრული სითხის ზედაპირული დაძაბულობის მნიშვნელობაც. რეჰბინდერის მეთოდი იძლევა ზედაპირული დაძაბულობის განსაზღვრის სიზუსტეს 0,01 მჯ/მ 2-მდე.

ამწევის მეთოდის გამოყენებისას იზომება სითხის აწევის (ან დაცემის) სიმაღლე კაპილარში და cc შედარებულია სტანდარტული სითხის აწევის სიმაღლესთან, რომლის ზედაპირული დაძაბულობა ცნობილია (ნახ. 2.4).

ბრინჯი. 2.4.

კაპილარების აწევის მიზეზი არის ის, რომ სითხე, რომელიც ასველებს კაპილარების კედლებს, ქმნის ზედაპირის გარკვეულ გამრუდებას და შედეგად მიღებული კაპილარული ლაპლასის წნევა ამაღლებს სითხეს კაპილარში მანამ, სანამ თხევადი სვეტის წონა არ დააბალანსებს მოქმედ ძალას. სითხის აწევა კაპილარში შეინიშნება, როდესაც სითხის ზედაპირის გამრუდება უარყოფითია. ჩაზნექილი მენისკით, ლაპლასის წნევა მიდრეკილია სითხის გაჭიმვისკენ და ამაღლებისკენ, ასეთ კაპილარულ აწევას პოზიტიური ეწოდება, დამახასიათებელია სითხეებისთვის, რომლებიც სველებენ კაპილარების კედლებს (მაგალითად, მინა-წყლის სისტემაში). პირიქით, თუ ზედაპირის გამრუდება დადებითია (ამოზნექილი მენისკი), მაშინ დამატებითი წნევა მიდრეკილია სითხის შეკუმშვისკენ და შეინიშნება მისი დაწევა კაპილარში, რასაც კაპილარული ნეგატიური აწევა ეწოდება. მსგავსი ფენომენი დამახასიათებელია იმ შემთხვევებისთვის, როდესაც კაპილარების კედლები სითხით არ სველდება (მაგალითად, მინა-ვერცხლისწყლის სისტემაში).

ვიმსჯელებთ ნახ. 2.4. დასველება გავლენას ახდენს ზედაპირის გეომეტრიაზე და თუ r არის გამრუდების რადიუსი, მაშინ თავად კაპილარების რადიუსი რმასთან დაკავშირებული ურთიერთობით

სადაც in- დამსველების კონტაქტის კუთხე (მწვავე, იმ პირობით, რომ კაპილარების კედლები სველდება სითხით). ბოლო მიმართებიდან გამომდინარეობს, რომ

ამ მიმართების ჩანაცვლებით განტოლებით (2.4), მივიღებთ

თუ გავითვალისწინებთ, რომ თხევადი სვეტის წნევა განტოლებაში pdv=odsდაკავშირებულია მის სიმაღლესთან მგ = V(p-p^)gh,შეგიძლიათ მიიღოთ თანაფარდობა და შემდეგ Jurin ფორმულა:

სადაც თ- სითხის აწევის სიმაღლე კაპილარში; რარის სითხის სიმკვრივე; psარის მისი გაჯერებული ორთქლის სიმკვრივე; გ- სიმძიმის აჩქარება.

იმ პირობით, რომ სითხის სიმკვრივე რდა მისი გაჯერებული ორთქლის სიმკვრივე psშეუდარებელი (რ » გვს) ზედაპირული დაძაბულობისთვის შეგვიძლია დავწეროთ

უფრო გამარტივებულ ფორმულაში ასევე ვარაუდობენ, რომ ჭურჭლის კედლები მთლიანად სველდება სითხით (cos in = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

მეთოდის პრაქტიკული გამოყენებისას ზედაპირული დაძაბულობის გამოთვლა ხორციელდება ფორმულის მიხედვით

სად და თ- სტანდარტული და საცდელი სითხეების კაპილარების აწევის სიმაღლე; p^u p- მათი სიმკვრივე.

ეს მეთოდი შეიძლება გამოყენებულ იქნას, როგორც ზუსტად იმ პირობით in - კონსტ, უკეთესია in= 0°, რაც მისაღებია მრავალი სითხისთვის დამატებითი პირობების გარეშე. ექსპერიმენტში აუცილებელია სითხით კარგად დასველებული თხელი კაპილარების გამოყენება. კაპილარული აწევის მეთოდს ასევე შეუძლია მაღალი სიზუსტით განსაზღვროს ზედაპირული დაძაბულობა, 0,01-0,1 მჯ/მ-მდე.