Dacă vă place să beți cocktailuri sau alte băuturi dintr-un pai, probabil ați observat că atunci când unul dintre capete este coborât într-un lichid, nivelul băuturii din acesta este puțin mai mare decât într-o ceașcă sau un pahar. De ce se întâmplă asta? De obicei oamenii nu se gândesc la asta. Dar fizicienii au putut de mult să studieze bine astfel de fenomene și chiar le-au dat propriul nume - fenomene capilare. Este rândul nostru să aflăm de ce se întâmplă acest lucru și cum se explică acest fenomen.

De ce apar capilarele

În natură, tot ceea ce se întâmplă are o explicație rezonabilă. Dacă lichidul se umezește (de exemplu, apă într-un tub de plastic), acesta se va ridica în sus, iar dacă nu se umezește (de exemplu, mercur într-un flacon de sticlă), atunci va coborî. Mai mult, cu cât raza unui astfel de capilar este mai mică, cu atât lichidul va urca sau va coborî mai mult. Ce explică astfel de fenomene capilare? Fizica spune că ele apar ca urmare a acțiunii forțelor.Dacă te uiți cu atenție la stratul superficial de lichid dintr-un capilar, vei observa că în forma sa este un fel de cerc. De-a lungul marginii sale pe pereții tubului exercită așa-numita tensiune superficială. Mai mult, pentru un lichid de umectare, vectorul său de direcție este îndreptat în jos, iar pentru un lichid care nu se umezește, este îndreptat în sus.

Potrivit celui de-al treilea, provoacă inevitabil o presiune opusă egală cu ea în modul. Acesta este cel care face ca lichidul să se ridice sau să cadă într-un tub îngust. Aceasta explică tot felul de fenomene capilare. Cu toate acestea, cu siguranță, mulți au avut deja o întrebare logică: „Și când se va opri creșterea sau scăderea lichidului?” Acest lucru se va întâmpla atunci când forța gravitației, sau forța lui Arhimede, echilibrează forța care face ca lichidul să se miște de-a lungul tubului.

Cum pot fi utilizate fenomenele capilare?

Una dintre aplicațiile acestui fenomen, care a devenit larg răspândită în producția de articole de papetărie, este familiară aproape oricărui elev sau elev. Probabil ai ghicit deja despre ce vorbim

Dispozitivul său vă permite să scrieți în aproape orice poziție, iar un semn subțire și clar pe hârtie a făcut mult timp acest subiect foarte popular în rândul fraternității scriitorilor. de asemenea, utilizat pe scară largă în agricultură pentru a controla mișcarea și a reține umiditatea în sol. După cum știți, pământul în care sunt cultivate culturi are o structură liberă, în care există decalaje înguste între particulele sale individuale. De fapt, nu este altceva decât capilare. Prin ele, apa intră în sistemul radicular și oferă plantelor umiditatea necesară și sărurile utile. Cu toate acestea, apa din sol se ridică și ea de-a lungul acestor căi și se evaporă destul de repede. Pentru a preveni acest proces, capilarele trebuie distruse. Doar pentru aceasta, se face afânarea solului. Și uneori apare situația inversă atunci când este necesară creșterea mișcării apei prin capilare. În acest caz, solul este rulat în jos și, din această cauză, numărul canalelor înguste crește. În viața de zi cu zi, fenomenele capilare sunt utilizate într-o varietate de circumstanțe. Utilizarea hârtiei absorbante, a prosoapelor și a șervețelelor, utilizarea fitilelor în și în tehnologie - toate acestea sunt posibile datorită prezenței canalelor lungi și înguste în compoziția lor.

MOU „Liceul nr. 43”

(natural-tehnic)

FENOMENE CAPILARE
Rozhkov Dmitri

Saransk

2013
Cuprins

Revizuirea literaturii de specialitate 3

Proprietățile lichidelor. Tensiunea superficială 3

Experiența platoului 6

Fenomene de umezire și neumedare. Unghiul marginii. 7

Fenomene capilare în natură și tehnologie 8

Vasele de sânge 10

Spuma în slujba omului 11

Partea practică 11

„Studiul proprietăților capilare ale diferitelor mostre de hârtie poroasă” 11

Constatări și concluzii 13

Referințe 13

Revizuire de literatura

Fenomenele capilare sunt fenomene fizice cauzate de tensiunea superficială la interfața mediilor nemiscibile. Astfel de fenomene includ de obicei fenomene în mediile lichide cauzate de curbura suprafeței lor, care se învecinează cu un alt lichid, gaz sau propriul său vapor.

Fenomenele capilare acoperă diverse cazuri de echilibru și mișcare a suprafeței lichidului sub acțiunea forțelor de interacțiune intermoleculară și a forțelor externe (în primul rând gravitația). În cel mai simplu caz, când forțele externe sunt absente sau compensate, suprafața lichidului este întotdeauna curbată. Deci, în condiții de imponderabilitate, un volum limitat de lichid care nu vine în contact cu alte corpuri ia forma unei mingi sub acțiunea tensiunii superficiale. Această formă corespunde echilibrului stabil al lichidului, deoarece sfera are o suprafață minimă pentru un volum dat și, prin urmare, energia de suprafață a lichidului în acest caz este minimă. Lichidul ia forma unei bile chiar dacă se află într-un alt lichid de densitate egală (acțiunea gravitației este compensată de forța de plutire arhimediană).

Proprietățile sistemelor constând din multe picături sau bule mici (emulsii, aerosoli lichizi, spume) și condițiile de formare a acestora sunt determinate în mare măsură de curbura suprafeței particulelor, adică de fenomene capilare. Fenomenele capilare joacă un rol la fel de important în formarea unei noi faze: picături de lichid în timpul condensării vaporilor, bule de vapori în timpul fierberii lichidului și nuclee în fază solidă în timpul cristalizării.

Atunci când un lichid intră în contact cu solide, forma suprafeței sale este afectată semnificativ de fenomenele de umectare din cauza interacțiunii moleculelor lichide și solide.

Absorbția capilară joacă un rol esențial în alimentarea cu apă a plantelor, mișcarea umidității în sol și alte corpuri poroase. Impregnarea capilară a diferitelor materiale este utilizată pe scară largă în procesele de inginerie chimică.

Curbura suprafeței libere a unui lichid sub acțiunea forțelor externe determină existența așa-numitelor unde capilare („unduri” pe suprafața lichidului). Fenomenele capilare din timpul mișcării interfețelor lichide sunt considerate de hidrodinamica fizico-chimică.

Fenomenele capilare au fost descoperite și studiate pentru prima dată de Leonardo da Vinci, B. Pascal (secolul al XVII-lea) și J. Zhuren (Dzhurin, secolul al XVIII-lea) în experimente cu tuburi capilare. Teoria fenomenelor capilare a fost dezvoltată în lucrările lui P. Laplace (1806), T. Young (Young, 1805), J.W. Gibbs (1875) și I.S. Gromeki (1879, 1886).

Proprietățile lichidelor. Tensiune de suprafata

Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de alta. Spre deosebire de corpurile cristaline solide, în care moleculele formează structuri ordonate pe tot volumul cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o mai mare libertate. Fiecare moleculă a unui lichid, precum și într-un corp solid, este „prinsă” pe toate părțile de moleculele învecinate și efectuează vibrații termice în jurul unei anumite poziții de echilibru. Cu toate acestea, din când în când, orice moleculă se poate muta într-un loc liber adiacent. Astfel de sărituri în lichide apar destul de des; prin urmare, moleculele nu sunt atașate de anumiți centri, ca în cristale, și se pot mișca pe întregul volum al lichidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele apropiate, acestea pot forma grupări ordonate locale (instabile) care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește ordin de scurtă rază (Fig. 1).

Datorită ambalării dense a moleculelor, compresibilitatea lichidelor, adică modificarea volumului cu o schimbare a presiunii, este foarte mică; este de zeci și sute de mii de ori mai puțin decât în ​​gaze.

Lichidele, ca și solidele, își schimbă volumul odată cu schimbarea temperaturii. Pentru intervale de temperatură nu foarte mari, modificarea relativă a volumului ΔV / V 0 este proporțională cu modificarea temperaturii ΔT:

Coeficientul β se numește coeficient de temperatură de expansiune în volum. Expansiunea termică a apei are o anomalie interesantă și importantă pentru viața de pe Pământ. La temperaturi sub 4°C, apa se dilată. Densitatea maximă ρ în = 10 3 kg / m 3 apa are la o temperatură de 4 ° C.

Când apa îngheață, se extinde, astfel încât gheața rămâne plutitoare pe suprafața corpului de apă înghețat. Temperatura apei înghețate sub gheață este de 0°C. În straturile mai dense de apă, în apropierea fundului rezervorului, temperatura este de aproximativ 4 °C. Din această cauză, viața poate exista în apa rezervoarelor înghețate.

Cea mai interesantă caracteristică a lichidelor este prezența unei suprafețe libere. Lichidul, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al vasului în care este turnat. Se formează o interfață între lichid și gaz (sau vapori), care se află în condiții speciale față de restul masei lichidului. Moleculele din stratul limită al unui lichid, spre deosebire de moleculele din adâncimea acestuia, nu sunt înconjurate de alte molecule ale aceluiași lichid din toate părțile. Forțele de interacțiune intermoleculară care acționează asupra uneia dintre moleculele din interiorul lichidului din moleculele învecinate sunt, în medie, compensate reciproc. Orice moleculă din stratul limită este atrasă de moleculele din interiorul lichidului (forțele care acționează asupra unei anumite molecule de lichid din moleculele de gaz (sau vapori) pot fi neglijate). Ca urmare, apare o forță rezultantă, îndreptată adânc în lichid (Fig. 2)

Fig.2

Dacă molecula se mișcă de la suprafață în lichid, forțele interacțiunii intermoleculare vor face o activitate pozitivă. Dimpotrivă, pentru a trage un anumit număr de molecule de la adâncimea lichidului la suprafață (adică, pentru a crește suprafața lichidului), este necesar să se cheltuiască munca pozitivă a forțelor externe ΔA ext. , proporțional cu modificarea ΔS a suprafeței:
ΔA extern = σΔS.
Coeficientul σ se numește coeficient de tensiune superficială (σ > 0). Astfel, coeficientul de tensiune superficială este egal cu munca necesară pentru a crește suprafața unui lichid la o temperatură constantă cu o unitate.

În SI, coeficientul de tensiune superficială este măsurat în jouli pe metru pătrat (J / m 2) sau în newtoni pe metru (1 N / m \u003d 1 J / m 2).

În consecință, moleculele stratului de suprafață al lichidului au energie potențială în exces în comparație cu moleculele din interiorul lichidului. Energia potențială E p a suprafeței lichidului este proporțională cu aria sa:
E p = A extern = σS.
Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale. Rezultă că suprafața liberă a lichidului tinde să-și reducă aria. Din acest motiv, o picătură liberă de lichid capătă o formă sferică (Fig. 3)
.

Fig.3
Fluidul se comportă ca și cum forțele ar acționa tangențial la suprafața sa, reducând (contractând) această suprafață. Aceste forțe se numesc forțe de tensiune superficială.

Prezența forțelor de tensiune superficială face ca suprafața lichidului să arate ca o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele elastice din film depind de suprafața sa (adică, de modul în care filmul este deformat), iar forțele de tensiune superficială nu nu depind de suprafața lichidelor.

Deoarece orice sistem trece spontan într-o stare în care energia sa potențială este minimă, lichidul trebuie să treacă spontan într-o stare în care suprafața sa liberă are cea mai mică valoare. Acest lucru poate fi demonstrat folosind următorul experiment.

Pe un fir îndoit sub forma literei P, o traversă mobilă este întărită (Fig. 4). Rama obtinuta in acest fel se strange cu o folie de sapun, coborand rama intr-o solutie sapunoasa. După îndepărtarea cadrului din soluție, bara transversală se mișcă în sus, adică forțele moleculare reduc de fapt suprafața liberă a lichidului.

Fig.4
Deoarece o minge are cea mai mică suprafață pentru același volum, lichidul în stare de imponderabilitate ia forma unei mingi. Din același motiv, picăturile mici de lichid au formă sferică. Forma foliilor de săpun pe diferite cadre corespunde întotdeauna celei mai mici suprafețe libere a lichidului.

Experienta Platoului

Forma naturală a oricărui lichid este o sferă. De obicei, gravitația împiedică lichidul să ia această formă, iar lichidul fie se răspândește într-un strat subțire dacă nu există un vas, fie ia forma unui vas. Fiind în interiorul altui lichid de aceeași densitate, lichidul capătă o formă naturală, sferică.

Fig.5
Uleiul de măsline plutește în apă, dar se scufundă în alcool. Puteți prepara un amestec de apă și alcool în care uleiul va fi în echilibru. Să introducem puțin ulei de măsline în acest amestec folosind un tub de sticlă sau o seringă: uleiul se va aduna într-o picătură sferică, care va atârna nemișcată în lichid. Dacă treceți un fir prin centrul bilei de ulei și îl rotiți, bila de ulei începe să se aplatizeze, iar apoi, după câteva secunde, un inel de mici picături de ulei sferice se separă de ea. Acest experiment a fost făcut pentru prima dată de fizicianul belgian Plateau.

La o scară gigantică, un astfel de fenomen poate fi observat în steaua noastră Soare și planetele gigantice. Aceste corpuri cerești se rotesc în jurul axei lor foarte repede. Ca urmare a acestei rotații, corpurile sunt foarte puternic comprimate la poli.

Fig.6

Fenomene de umezire și neumedare. Unghiul marginii.

Udare și neumedare - fenomenele capilare sunt larg răspândite în natură și tehnologie. Sunt importante atât în ​​viața de zi cu zi, cât și pentru rezolvarea celor mai importante probleme științifice și tehnice. Cunoașterea acestor probleme vă permite să răspundeți la multe întrebări. De exemplu, că fenomenele capilare permit absorbția nutrienților și umidității din sol de către sistemul radicular al vegetației, că circulația sângelui în organismele vii se bazează pe fenomenul capilar, ce este flotația și unde și-a găsit aplicație, de ce sunt unele solide. bine umezite de lichid, altele sunt rele etc.

Dacă cobori o tijă de sticlă în mercur și apoi o scoți, nu va fi mercur pe ea. Dacă acest băț este coborât în ​​apă, atunci după ce este scos, o picătură de apă va rămâne la capătul său. Această experiență arată că moleculele de mercur sunt atrase unele de altele mai puternic decât de moleculele de sticlă, iar moleculele de apă sunt atrase unele de altele mai slab decât de moleculele de sticlă.

Dacă moleculele unui lichid sunt atrase unele de altele mai slab decât de moleculele unui solid, atunci lichidul se numește umezire această substanță. De exemplu, apa uda sticla curata si nu uda parafina. Dacă moleculele unui lichid sunt atrase unele de altele mai puternic decât de moleculele unui solid, atunci lichidul se numește neumezitor al acestei substanțe. Mercurul nu umezește sticla, dar udă cuprul pur și zincul.

Să punem o placă plată orizontal cu o substanță solidă și să aruncăm lichidul de testare pe ea. Apoi picătura va fi localizată fie așa cum se arată în Fig. 7( A), sau așa cum se arată în fig. 7( b).

a) b)

Fig.7.
În primul caz, lichidul udă solidul, în timp ce în al doilea nu. Unghiul θ marcat în Fig. 5 se numește unghi de contact. Unghiul de contact este format dintr-o suprafață plană a unui corp solid și un plan tangent la suprafața liberă a lichidului, unde se limitează corpul solid, lichidul și gazul; există întotdeauna lichid în interiorul unghiului de contact. Pentru lichidele umede, unghiul de contact este acut, iar pentru lichidele care nu se umezesc, este obtuz. Pentru ca acțiunea gravitației să nu distorsioneze unghiul de contact, căderea trebuie luată cât mai mică posibil.

Deoarece unghiul de contact θ se păstrează la poziția verticală a suprafeței solide, lichidul de umectare de la marginile vasului în care este turnat crește, iar lichidul neumeziv scade

Cu umezirea completă, θ = 0, cos θ = 1.

Fig.8

Fenomene capilare în natură și tehnologie

Creșterea lichidului în capilar continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar devine egală ca modul cu F n rezultat al forțelor de tensiune superficială care acționează de-a lungul limitei de contact dintre lichid și suprafața capilară: F t = F n, unde F t = mg = ρhπr 2 g, F n = σ2πr cos θ.

Asta implică:

Curbura suprafeței lichidului în tuburi înguste duce la o încălcare aparentă a legii vaselor comunicante.

Din formula se vede că înălțimea h cu cât este mai mare, cu atât raza interioară a tubului este mai mică r. Creșterea apei are o valoare semnificativă în tuburi, al căror diametru interior este proporțional cu diametrul unui fir de păr (sau chiar mai puțin); prin urmare, astfel de tuburi se numesc capilare (din grecescul „capillaris” - păr, subțire). Lichidul de umectare din capilare se ridică (Fig. 9, a), iar lichidul care nu se umezește coboară (Fig. 9, b).

Fig.9


Fenomenele capilare pot fi observate nu numai în tuburi, ci și în fante înguste. Dacă coborâți două farfurii de sticlă în apă, astfel încât să se formeze un spațiu îngust între ele, atunci apa dintre farfurii va crește și cu cât sunt mai sus, cu atât sunt mai aproape. Fenomenele capilare joacă un rol important în natură și tehnologie. Multe capilare mici se găsesc în plante. La copaci, umiditatea din sol se ridică prin capilare până la vârfurile copacilor, unde se evaporă prin frunze în atmosferă. În sol există capilare, care sunt mai înguste, cu atât solul este mai dens. Apa prin aceste capilare se ridică la suprafață și se evaporă rapid, iar pământul devine uscat. Aratul de primăvară devreme distruge capilarele, adică reține umiditatea subsolului și crește randamentul.

În tehnologie, fenomenele capilare au o mare importanță, de exemplu, în procesele de uscare a corpurilor capilar-poroase etc. Fenomenele capilare au o mare importanță în afacerile de construcții. De exemplu, pentru ca un perete de cărămidă să nu se umezească, se face o garnitură între fundația casei și perete dintr-o substanță în care nu există capilare. În industria hârtiei, capilaritatea trebuie luată în considerare la fabricarea diferitelor grade de hârtie. De exemplu, la fabricarea hârtiei de scris, aceasta este impregnată cu un compus special care înfundă capilarele. În viața de zi cu zi, fenomenele capilare sunt folosite în fitiluri, în hârtia buvardă, în pixuri pentru alimentarea cu cerneală etc.

Majoritatea țesuturilor vegetale și animale sunt impregnate cu un număr enorm de vase capilare. În capilare au loc principalele procese asociate cu respirația și nutriția corpului, toată cea mai complexă chimie a vieții este strâns legată de fenomenele de difuzie. Trunchiurile copacilor, ramurile și tulpinile plantelor sunt pătrunse de un număr mare de tuburi capilare, prin care nutrienții se ridică până la frunzele de sus. Sistemul radicular al plantelor se termină cu cele mai subțiri filamente-capilare. Iar solul in sine, sursa de nutritie pentru radacina, poate fi reprezentat ca un ansamblu de tuburi capilare, prin care, in functie de structura si prelucrare, apa cu substante dizolvate in el se ridica mai repede sau mai incet la suprafata. Înălțimea creșterii lichidului în capilare este cu atât mai mare, cu atât diametrul său este mai mic. Din aceasta este clar că, pentru a păstra umiditatea, este necesar să săpați solul, iar pentru a-l scurge, este necesar să-l compactați.

Rolul fenomenelor de suprafață în natură este variat. De exemplu, pelicula de suprafață a apei este un suport pentru multe organisme în mișcare. Această formă de mișcare se găsește la insectele mici și la arahnide. Cei mai cunoscuți pășitori de apă se sprijină pe apă doar cu segmentele de capăt ale picioarelor distanțate larg. Piciorul, acoperit cu un înveliș ceros, nu este umezit de apă, stratul de suprafață de apă coboară sub presiunea piciorului, formând o mică depresiune. Unele specii de păianjeni de coastă se mișcă într-un mod similar, dar picioarele lor nu sunt paralele cu suprafața apei, ca la păianjenii de apă, ci în unghi drept față de aceasta.

Unele animale care trăiesc în apă, dar nu au branhii, sunt suspendate de dedesubt la suprafața stratului de apă cu ajutorul perilor neumezicabili care înconjoară organele respiratorii. Această tehnică este folosită de larvele de țânțari (inclusiv cele de malarie).

Penele și puful păsărilor de apă sunt întotdeauna bogat mânjite cu secreții grase ale glandelor speciale, ceea ce explică impermeabilitatea lor. Un strat gros de aer închis între penele raței și nedeplasat de apă nu numai că protejează rața de pierderile de căldură, dar mărește și mult marja de flotabilitate, acționând ca o centură de salvare.

Învelișul ceros de pe frunze previne inundarea așa-numitelor stomi, care ar putea duce la o încălcare a respirației corespunzătoare a plantelor. Prezența aceluiași strat de ceară explică rezistența la apă a unui acoperiș de paie, a unui car de fân etc.

Principalul organ consumator de umiditate, unde este nevoie constantă de apă, inclusiv pentru fotosinteză, este o frunză situată departe de rădăcină. În plus, frunza este înconjurată de aer, care adesea „îi ia” apă pentru a „satura” cu vapori de apă. Apare o contradicție: frunza are nevoie constantă de apă, dar o pierde tot timpul, iar rădăcina are în mod constant apă în exces, deși nu este contrariată să scape de ea. Soluția la această problemă este evidentă: trebuie să pompați excesul de apă de la rădăcină la frunze. Rolul unui astfel de sistem de alimentare cu apă este preluat de tulpină. Furnizează apă către frunze prin tuburi speciale - capilare. La angiosperme, acestea sunt cele mai perfecte și sunt lungi (în creșterea plantei în sine) vase goale, ai căror pereți sunt căptușiți cu celuloză și lignină. Sistemul unor astfel de vase conductoare se numește xilem (din grecescul xylon - lemn, bloc de lemn).

Dacă în lumenul vaselor xilemului rădăcină sunt concentrate substanțe minerale pe care rădăcina le-a absorbit din sol, apa se repetă în xilem din celulele radiculare din jur prin mecanismul osmozei.

Mecanismul „pompa de apă” constă din două pompe osmotice și forțele capilare ale pereților vasului.

Vase de sânge

Întregul corp este străpuns de vase de sânge. Ele sunt diferite ca structură. Arterele sunt vasele care transportă sângele departe de inimă. Au pereți elastici denși, care includ mușchii netezi. Pe măsură ce inima se contractă, ejectează sânge sub presiune mare în arteră. Datorită densității și elasticității pereților arterei rezista la această presiune și întindere.

Arterele mari se ramifică pe măsură ce se îndepărtează de inimă. Cele mai mici artere se descompun în cele mai subțiri capilare. Pereții lor sunt formați dintr-un singur strat de celule plate. Prin pereții capilarelor, substanțele dizolvate în plasma sanguină trec în lichidul tisular și din acesta intră în celule. Produsele de deșeuri ale celulelor pătrund prin pereții capilarelor din fluidul tisular în sânge. Există aproximativ 150 de miliarde de capilare în corpul uman. Dacă toate capilarele sunt desenate într-o singură linie, atunci poate înconjura globul de-a lungul ecuatorului de două ori și jumătate. Sângele din capilare se adună în vene - vasele prin care sângele se deplasează către inimă. Presiunea în vene este mică, pereții lor sunt mai subțiri decât pereții arterelor.

Spuma în slujba omului

Nu a fost o teorie care a condus la însăși ideea de plutire, ci o observare atentă a unui fapt întâmplător. La sfârşitul secolului al XIX-lea. Profesorul american Curry Everson, spălând pungile grase în care erau depozitate pirite de cupru, a atras atenția asupra faptului că boabele de pirite plutesc cu spuma de săpun. Acesta a fost impulsul pentru dezvoltarea metodei de flotație. Această metodă este utilizată pe scară largă în industria minieră și metalurgică pentru prelucrarea minereului, adică. pentru a crește conținutul relativ de componente valoroase din acestea. Esența flotației este următoarea. Minereul măcinat fin este încărcat într-o cuvă cu apă și substanțe uleioase, care sunt capabile să învelească particulele unui mineral util cu cea mai subțire peliculă care nu este umezită de apă. Amestecul se amestecă energic cu aer, astfel încât se formează multe bule minuscule - spumă. În același timp, particulele unui mineral util, îmbrăcate într-o peliculă subțire uleioasă, atunci când intră în contact cu învelișul bulei de aer, se lipesc de aceasta, se atârnă de bulă și sunt purtate cu ea, ca pe un balon. Particulele de rocă sterilă, care nu sunt învăluite de o substanță uleioasă, nu se lipesc de coajă și rămân în lichid. Ca rezultat, aproape toate particulele minerale utile ajung în spumă pe suprafața lichidului. Spuma este îndepărtată și trimisă pentru prelucrare ulterioară - pentru a obține așa-numitul concentrat .

Tehnica de flotare permite, cu o selecție adecvată a lichidelor amestecate, să se separe mineralul util necesar de roca sterilă de orice compoziție.

Partea practică

„Studiul proprietăților capilare ale diferitelor mostre de hârtie poroasă”

Obiectiv: pentru a studia proprietățile capilare ale diferitelor mostre de hârtie poroasă (de exemplu, șervețele de hârtie de la diferiți producători).

Dispozitive și materiale: mostre de hârtie, apă distilată, riglă, baie.

Metoda de executare:

Numele producatorului			Raza capilară estimată, 10 -5 m
	2,25 2,3	2,25	0,6621	4
SRL „BRIZ”, Novorossiysk	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

Am repetat experimentul, înlocuind apa cu lapte.

Lapte 2,5%;

În calcule am folosit următoarele valori tabelare:

 - densitatea laptelui (1,03x10 3 kg / m 3);

 - tensiune superficială (pentru lapte la limita cu aerul  = 46x10 -3 N/m)

Numele producatorului	Inaltime de ridicare lichid, 10 -2 m	Valoarea medie a înălțimii de ridicare a lichidului, 10 -2 m	Raza capilară estimată, 10 -3 m	Evaluarea calității absorbției umidității conform unui sistem în 4 puncte
OOO Russian Paper TOATE Produsele, Bryansk	1,1 1,1	1,09	0,836	4
SRL „BRIZ”, Novorossiysk	0,8 0,55	0,64	1,424	3
LLC Noi tehnologii, Krasnodar	0,3 0,38	0,31	2,94	2
IP Kitaikin A.B. Novoşakhtinsk, regiunea Rostov	0,98 1,0	0,97	0,94	4

Constatări și concluzii

1. 
   În urma muncii desfășurate s-a obținut o evaluare obiectivă a calității șervețelelor de hârtie de la diverși producători.
2. 
   Cele mai bune rezultate au fost prezentate de mostrele de la următorii producători: LLC Russian Paper ALL Products, Bryansk și IP Kitaikin A.B. Novoşakhtinsk, regiunea Rostov
3. 
   Cele mai rele au fost șervețele New Technologies LLC, Krasnodar, făcute pentru lanțul de magazine Magnit.
4. 
   Cele mai bune șervețele pot fi recomandate pentru utilizare în sala de mese a Liceului nr. 43.

Lista bibliografică

1. 
   Enciclopedie fizică. http://enc-dic.com/enc_physics/Kapilljarne-javlenija-911.html
2. 
   Proprietățile lichidelor http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=161&Itemid=72#q3
3. 
   fenomene capilare. http://seaniv2006.narod.ru/1191.html (03.12.12)

Fenomene capilare, fenomene de suprafață la limita unui lichid cu un alt mediu, asociate cu curbura suprafeței acestuia. Curbura suprafeței lichide la limita cu faza gazoasă are loc ca urmare a acțiunii tensiunii superficiale a lichidului, care tinde să reducă interfața și să confere volumului limitat de lichid forma unei bile. Deoarece sfera are o suprafață minimă pentru un volum dat, această formă corespunde energiei minime de suprafață a lichidului, adică. starea sa de echilibru stabil. În cazul unor mase suficient de mari de lichid, efectul tensiunii superficiale este compensat de gravitație, astfel încât un lichid cu vâscozitate scăzută ia rapid forma unui vas în care este turnat și este liber. suprafața pare aproape plană.

În absența gravitației sau în cazul unor mase foarte mici, lichidul capătă întotdeauna o formă sferică (picătură), a cărei curbură a suprafeței determină mulți factori. proprietățile unei substanțe. Prin urmare, fenomenele capilare sunt pronunțate și joacă un rol semnificativ în condiții de imponderabilitate, în timpul zdrobirii unui lichid într-un mediu gazos (sau pulverizării unui gaz într-un lichid) și formării unor sisteme formate din multe picături sau bule (emulsii, aerosoli). , spume), în timpul apariției unei noi faze de picături de lichid în timpul condensării vaporilor, bule de vapori în timpul fierberii, nuclee de cristalizare. Când un lichid intră în contact cu corpuri condensate (un alt lichid sau un corp solid), curbura interfeței are loc ca urmare a acțiunii tensiunii interfaciale.

În cazul umezirii, de exemplu, când un lichid intră în contact cu un perete solid al unui vas, forțele atractive care acționează între moleculele solidului și lichidului fac ca acesta să se ridice de-a lungul peretelui vasului, drept urmare secțiunea suprafeței lichide adiacentă peretelui ia o formă concavă. În canalele înguste, de exemplu, capilarele cilindrice, se formează un menisc concav - o suprafață lichidă complet curbată (Fig. 1).

Orez. 1. Ridicare capilară h lichid care umezește pereții unui capilar de rază r; q - unghiul de contact de umezire.

presiunea capilară.

Deoarece forțele de tensiune superficială (interfacială) sunt direcționate tangențial la suprafața lichidului, curbura acestuia din urmă duce la apariția unei componente direcționate în interiorul volumului lichidului. Ca urmare, apare presiunea capilară, a cărei valoare Dp este legată de raza medie de curbură a suprafeței r 0 prin ecuația Laplace:

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

unde p 1 și p 2 - presiunea in lichidul 1 si faza vecina 2 (gaz sau lichid), s 12 - tensiune superficiala (interfaciala).

Dacă suprafața lichidului este concavă (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) semnul lui Dp este inversat. Presiunea capilară negativă care apare atunci când pereții capilarului sunt umeziți de lichid duce la faptul că lichidul va fi aspirat în capilar până la greutatea înălțimii coloanei de lichid. h nu va echilibra căderea de presiune Dp. Într-o stare de echilibru, înălțimea creșterii capilare este determinată de formula Jurin:

unde r 1 și r 2 sunt densitățile lichidului 1 și ale mediului 2, g este accelerația gravitației, r este raza capilarului, q este unghiul de umectare. Pentru lichidele care nu umezesc pereții capilari, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

Din expresia (2) rezultă definiția constantei capilare a lichidului A= 1/2 . Are dimensiunea lungimii și caracterizează dimensiunea liniară Z[A, la care fenomenele capilare devin semnificative Deci, pentru apa la 20 ° C a = 0,38 cm.În gravitate slabă (g: 0), valoarea A crește. În zona de contact cu particulele, condensarea capilară duce la contracția particulelor sub acțiunea presiunii reduse Dp< 0.

Ecuația Kelvin.

Curbura suprafeței lichidului duce la o modificare a presiunii de echilibru a vaporilor deasupra acesteia R comparativ cu presiunea aburului saturat ps deasupra unei suprafețe plane la aceeași temperatură T. Aceste modificări sunt descrise de ecuația Kelvin:

unde este volumul molar al lichidului, R este constanta gazului. Scăderea sau creșterea presiunii vaporilor depinde de semnul curburii suprafeței: peste suprafețe convexe (r 0 > 0) p > p s ; peste concav (r 0< 0) R< р s . . Deci, deasupra picăturilor, presiunea vaporilor este crescută; în bule, dimpotrivă, se coboară.

Pe baza ecuației Kelvin, se calculează umplerea capilarelor sau a corpurilor poroase la condensare capilară. Din moment ce valorile R sunt diferite pentru particule de diferite dimensiuni sau pentru suprafețe cu depresiuni și proeminențe, ecuația (3) determină și direcția transferului de materie în procesul de trecere a sistemului la starea de echilibru. Acest lucru duce, în special, la faptul că picăturile sau particulele relativ mari cresc din cauza evaporării (dizolvării) celor mai mici, iar neregularitățile de suprafață ale corpurilor necristaline sunt netezite datorită dizolvării proeminențelor și vindecării depresiunilor. . Diferențele vizibile de presiune a vaporilor și solubilitate apar numai la r 0 suficient de mic (pentru apă, de exemplu, la r 0. Prin urmare, ecuația Kelvin este adesea folosită pentru a caracteriza starea sistemelor coloidale și a corpurilor poroase și proceselor din acestea.

Orez. 2. Deplasarea fluidului după lungime lîntr-un capilar cu raza r; q - unghiul de contact.

impregnarea capilară.

Scăderea presiunii sub meniscurile concave este unul dintre motivele mișcării capilare a lichidului spre meniscurile cu rază de curbură mai mică. Un caz particular în acest sens este impregnarea corpurilor poroase - absorbția spontană a lichidelor în porii liofili și capilare (Fig. 2). Viteză v mișcarea meniscului într-un capilar situat orizontal (sau într-un capilar vertical foarte subțire, când influența gravitației este mică) este determinată de ecuația Poiseuille:

Unde l este lungimea secțiunii lichidului absorbit, h este vâscozitatea acesteia, Dp este căderea de presiune în secțiune l, egală cu presiunea capilară a meniscului: Dp = - 2s 12 cos q/r. Dacă unghiul de contact q nu depinde de viteză v, este posibil să se calculeze cantitatea de lichid absorbită în timp t din raportul:

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

Dacă q este o funcție v, apoi lși v asociate cu relații mai complexe.

Ecuațiile (4) și (5) sunt folosite pentru a calcula rata de impregnare la tratarea lemnului cu antiseptice, vopsirea țesăturilor, aplicarea catalizatorilor pe purtători poroși, extracția prin leșiere și difuzie a componentelor valoroase de rocă etc. Pentru a accelera impregnarea, surfactanții sunt adesea utilizate care îmbunătățesc umezirea prin reducerea unghiului de contact q. Una dintre opțiunile de impregnare capilară este deplasarea unui lichid dintr-un mediu poros cu altul, care nu se amestecă cu primul și umezind mai bine suprafața porilor. Aceasta este baza, de exemplu, a metodelor de extragere a uleiului rezidual din rezervoare cu soluții apoase de agenți tensioactivi și a metodelor de porozimetrie cu mercur. Absorbția capilară a soluțiilor în pori și deplasarea lichidelor nemiscibile din pori, însoțite de adsorbția și difuzia componentelor, sunt considerate de hidrodinamica fizico-chimică.

Pe lângă stările de echilibru descrise ale unui lichid și mișcarea acestuia în pori și capilare, stările de echilibru ale unor volume foarte mici ale unui lichid, în special straturile subțiri și peliculele, sunt denumite și fenomene capilare. Aceste fenomene capilare sunt adesea denumite fenomene capilare de tip II. Ele se caracterizează, de exemplu, prin dependența tensiunii superficiale a lichidului de raza picăturilor și prin tensiunea liniară. Fenomenele capilare au fost studiate pentru prima dată de Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (secolul al XVII-lea) și J. Jurin (secolul al XVIII-lea) în experimente cu tuburi capilare. Teoria fenomenelor capilare a fost dezvoltată în lucrările lui P. Laplace (1806), T. Jung (1804), A. Yu. Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886). Începutul dezvoltării teoriei fenomenelor capilare de al doilea fel a fost stabilit de lucrările lui B. V. Deryagin și L. M. Shcherbakov.

FENOMENE CAPILARE- un ansamblu de fenomene cauzate de actiunea tensiunii superficiale interfaciale la interfata mediilor nemiscibile; la K. i. de obicei includ fenomene în lichide cauzate de curbura suprafeței lor, învecinate cu un alt lichid, gaz sau propriu-zis. BAC. K. Ya. este un caz special de fenomene de suprafață. În absența unui lichid, suprafața este întotdeauna curbată. Sub influență, un volum limitat de lichid tinde să ia forma unei mingi, adică să ocupe un volum cu min. suprafaţă. Forțele gravitaționale schimbă semnificativ imaginea. Un lichid cu o vâscozitate relativ scăzută ia rapid forma unui vas, în care este turnat, și suprafața sa liberă (nu adiacentă pereților vasului) în cazul unor mase suficient de mari de lichid și o suprafață mare de ​suprafața liberă este practic plană. Cu toate acestea, pe măsură ce masa lichidului scade, rolul tensiunii superficiale devine mai semnificativ decât forța gravitațională. Deci, de exemplu, la zdrobirea unui lichid într-un gaz (sau a unui gaz într-un lichid), se formează picături (bule) sferice. forme. Proprietățile sistemelor care conțin un număr mare de picături sau bule (emulsii, aerosoli lichizi, spume) și condițiile de formare a acestora sunt în mare măsură determinate de curbura suprafeței acestor formațiuni, adică K. I. Marele rol al lui K. I. Ele joacă, de asemenea, în nucleare în timpul condensării vaporilor, fierberii lichidului și cristalizării. Curbura suprafeței unui lichid poate apărea și ca urmare a interacțiunii acestuia cu suprafața altui lichid sau solid. În acest caz, prezența sau absența umezire lichid pe această suprafață. Dacă are loc, adică moleculele lichidului 1 (Fig. 1) interacționează mai puternic cu suprafața unui corp solid 3 decât cu moleculele altui lichid (sau gaz) 2, atunci sub influența diferenței de forțele de interacțiune intermoleculară, lichidul se ridică de-a lungul peretelui vasului și adiacent unui corp solid, o secțiune a suprafeței lichidului va fi curbată. Hidrostatic presiunea cauzată de creșterea nivelului lichidului este echilibrată presiunea capilară- diferența de presiune deasupra și sub suprafața curbată, a cărei valoare este legată de curbura locală a suprafeței lichide. Dacă aduceți pereții plani ai vasului mai aproape de lichid, atunci zonele de curbură se vor suprapune și se formează un menisc - o suprafață complet curbată. Într-un astfel de capilar, în condiții de umezire sub un menisc concav, presiunea este scăzută, lichidul crește; greutatea coloanei de lichid. h 0 echilibrează presiunea capilară Dр. In echilibru

Tensiunea superficială este relativ ușor de determinat experimental. Există diferite metode pentru determinarea tensiunii superficiale, care sunt împărțite în statice, semistatice și dinamice. Metodele statice se bazează pe fenomene capilare asociate cu curbura interfeței.

Odată cu apariția curburii suprafeței între faze, presiunea internă a corpului se modifică și apare o presiune suplimentară (capilară) Laplace. R, care poate creste sau scade presiunea interna caracteristica unei suprafete plane. Această presiune suplimentară poate fi reprezentată ca rezultanta forțelor tensiunii superficiale îndreptate către centrul de curbură perpendicular pe suprafață. Curbura poate fi pozitivă sau negativă (Fig. 2.2).

Orez. 2.2. Schema de formare a presiunii suplimentare pentru o suprafață cu pozitiv (a) și negativ (b) curbură

O modificare a volumului unui lichid are loc ca urmare a unei scăderi spontane a energiei de suprafață și a conversiei acesteia în energie mecanică a unei modificări a volumului corpului. În acest caz, în ecuația (2.2) pentru energia Helmholtz la constante T, n, q trebuie luate în considerare doar doi termeni. dF=-pdV+ods. La echilibru dF = 0, deci pdv=ods. În această expresie p = P- presiune suplimentară (presiunea Laplace), egală cu diferența de presiune dintre presiunea unui corp cu suprafețe plane și curbate (AR):

Raportul se numește curbura suprafeței.

Pentru o suprafață sferică. Înlocuind această expresie

în ecuația pentru presiune suplimentară, obținem ecuația Laplace:

în care G- raza de curbură; - curbura sau dispersitatea (Fig. 2.3).

Dacă suprafața are o formă neregulată, se folosește conceptul de curbură medie și este ecuația lui Laplace

unde Gr / * 2 - razele principale de curbură.

Orez. 2.3. Creșterea capilară a lichidului în timpul umezirii (a) și neumezirii (despre) pereții capilari

Pentru tensiunea superficială, ecuația Laplace poate fi rescrisă sub forma care arată proporționalitatea suprafeței

raza de tensiune a capilarului G si presiune R, la care o bulă de gaz iese dintr-un capilar scufundat într-un lichid. Pe această proporționalitate se bazează metoda de determinare experimentală a tensiunii superficiale a lui Rehbinder.

Metoda Rehbinder măsoară presiunea la care o bula de gaz iese dintr-un capilar care este coborât de un lichid. În momentul în care bula sare, presiunea măsurată va fi egală cu presiunea capilară, cu raza de curbură a suprafeței - cu raza capilarului. Este practic imposibil să se măsoare raza capilarului în experiment, prin urmare, se efectuează măsurători relative: presiunea este determinată într-o bula de gaz care sare printr-un lichid cu o tensiune superficială cunoscută (acest lichid se numește standard) și apoi presiunea Rîntr-o bulă de gaz care sare printr-un lichid cu o tensiune superficială determinată. Apa distilată este de obicei folosită ca lichid standard, iar bidistilatul este utilizat pentru măsurători precise.

Raportul dintre tensiunea superficială a unui lichid standard și presiunea dintr-o bula care sare prin el se numește constantă

capilar. Cu o valoare cunoscută a tensiunii superficiale

(t 0 și presiunile măsurate și R pentru lichidul standard și investigat, tensiunea superficială a acestuia din urmă este determinată de formula principală de calcul a acestei metode:

Dacă valoarea este cunoscută cu mare precizie, atunci valoarea tensiunii superficiale a lichidului care se determină va fi de asemenea exactă. Metoda Rehbinder oferă o precizie de determinare a tensiunii superficiale de până la 0,01 mJ/m 2 .

Când se utilizează metoda de ridicare, se măsoară înălțimea creșterii (sau scăderii) lichidului în capilar și se compară cc cu înălțimea creșterii unui lichid standard a cărui tensiune superficială este cunoscută (Fig. 2.4).

Orez. 2.4.

Motivul creșterii capilare este că lichidul, umezind pereții capilarului, formează o anumită curbură a suprafeței, iar presiunea Laplace capilară rezultată ridică lichidul din capilar până când greutatea coloanei de lichid echilibrează forța care acționează. Creșterea lichidului în capilar se observă atunci când curbura suprafeței lichidului este negativă. Cu un menisc concav, presiunea Laplace tinde să întindă lichidul și să-l ridice, o astfel de creștere capilară se numește pozitivă, este tipic pentru lichidele care udă pereții capilarului (de exemplu, în sistemul de apă-sticlă). În schimb, dacă curbura suprafeței este pozitivă (un menisc convex), atunci presiunea suplimentară tinde să comprime lichidul și se observă scăderea acestuia în capilar, care se numește creștere capilară negativă. Un fenomen similar este tipic pentru cazurile în care pereții capilarului nu sunt umeziți cu lichid (de exemplu, în sistemul sticlă-mercur).

Judecând după fig. 2.4. umezirea afectează geometria suprafeței și dacă r este raza de curbură, atunci raza capilarului însuși R legat de acesta prin relație

Unde în- unghi de contact de umectare (acut, cu condiția ca pereții capilarului să fie umeziți cu lichid). Din ultima relaţie rezultă că

Înlocuind această relație în ecuația (2.4), obținem

Dacă luăm în considerare că presiunea coloanei de lichid din ecuație pdv=ods legat de înălțimea acestuia mgh = V(p-p^)gh, puteți obține raportul și apoi formula Jurin:

Unde h- înălțimea creșterii lichidului în capilar; R este densitatea lichidului; ps este densitatea vaporilor săi saturati; g- accelerarea gravitației.

Cu condiția ca densitatea lichidului Rși densitatea sa de vapori saturati ps incomparabil (R » p s) pentru tensiunea superficială, putem scrie

Într-o formulă mai simplificată, se presupune, de asemenea, că pereții vasului sunt complet umeziți de lichid (cos în = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

În utilizarea practică a metodei, calculul tensiunii superficiale se efectuează conform formulei

unde si h- înălțimea de ridicare a capilarului lichidelor standard și de testare; p^u p- densitatea lor.

Această metodă poate fi folosită ca o metodă exactă furnizată cos în - const, este mai bine în= 0°, ceea ce este acceptabil pentru multe lichide fără condiții suplimentare. În experiment, este necesar să se utilizeze capilare subțiri care sunt bine umezite cu lichid. Metoda creșterii capilare poate oferi, de asemenea, o precizie ridicată în determinarea tensiunii superficiale, până la 0,01-0,1 mJ/m