Ak radi pijete koktaily alebo iné nápoje zo slamky, určite ste si všimli, že keď jeden z jej koncov spustíte do tekutiny, hladina nápoja v nej je o niečo vyššia ako v šálke alebo pohári. Prečo sa to deje? Ľudia na to väčšinou nemyslia. Ale fyzici už dávno dokázali takéto javy dobre študovať a dokonca im dali aj vlastný názov – kapilárne javy. Je na rade, aby sme zistili, prečo sa to deje a ako sa tento jav vysvetľuje.

Prečo sa vyskytujú kapiláry

V prírode má všetko, čo sa deje, rozumné vysvetlenie. Ak kvapalina zmáča (napríklad voda v plastovej trubici), bude stúpať hore trubicou, a ak nezmáča (napríklad ortuť v sklenenej fľaštičke), bude klesať. Navyše, čím menší je polomer takejto kapiláry, tým vyššie bude kvapalina stúpať alebo klesať. Čo vysvetľuje takéto kapilárne javy? Fyzika hovorí, že vznikajú v dôsledku pôsobenia síl.Ak sa pozriete pozorne na povrchovú vrstvu kvapaliny v kapiláre, všimnete si, že vo svojom tvare ide o akýsi kruh. Pozdĺž svojho okraja na stenách tubulu pôsobí takzvané povrchové napätie. Okrem toho, v prípade zmáčacej kvapaliny je jej smerový vektor nasmerovaný nadol a v prípade nezmáčacej kvapaliny je smerovaný nahor.

Podľa tretieho spôsobuje nevyhnutne opačný tlak, ktorý sa rovná jemu v module. Práve to spôsobuje, že kvapalina stúpa alebo klesá v úzkej trubici. To vysvetľuje všetky druhy kapilárnych javov. Mnohí však už určite mali logickú otázku: „A kedy sa zastaví stúpanie alebo klesanie kvapaliny? To sa stane, keď sila gravitácie alebo Archimedova sila vyrovná silu, ktorá spôsobuje pohyb kvapaliny pozdĺž trubice.

Ako sa dajú využiť kapilárne javy?

Jednu z aplikácií tohto fenoménu, ktorý sa rozšíril vo výrobe papiernictva, pozná asi každý študent či žiak. Pravdepodobne ste už uhádli, o čom hovoríme

Jeho zariadenie vám umožňuje písať takmer v akejkoľvek polohe a tenká a jasná značka na papieri už dlho robí túto tému veľmi populárnou medzi spisovateľskými bratstvami. tiež široko používaný v poľnohospodárstve na kontrolu pohybu a zadržiavanie vlhkosti v pôde. Ako viete, pôda, kde sa pestujú plodiny, má voľnú štruktúru, v ktorej sú úzke medzery medzi jej jednotlivými časticami. V skutočnosti to nie je nič iné ako kapiláry. Prostredníctvom nich voda vstupuje do koreňového systému a poskytuje rastlinám potrebnú vlhkosť a užitočné soli. Pôdna voda však tiež stúpa pozdĺž týchto ciest a pomerne rýchlo sa vyparuje. Aby sa zabránilo tomuto procesu, kapiláry by mali byť zničené. Práve na tento účel sa vykonáva kyprenie pôdy. A niekedy nastáva opačná situácia, keď je potrebné zvýšiť pohyb vody cez kapiláry. V tomto prípade sa pôda zroluje a v dôsledku toho sa zvýši počet úzkych kanálov. V každodennom živote sa kapilárne javy využívajú za rôznych okolností. Použitie pijavého papiera, uterákov a obrúskov, použitie knôtov v technológii a v technológii - to všetko je možné vďaka prítomnosti dlhých úzkych kanálov v ich zložení.

MOU "Lýceum č. 43"

(prírodno-technické)

KAPILÁRNE JAVY
Rozhkov Dmitrij

Saransk

2013
Obsah

Prehľad literatúry 3

Vlastnosti kvapalín. Povrchové napätie 3

Zážitok z plošiny 6

Fenomény vlhnutia a nezmáčania. Uhol okraja. 7

Kapilárne javy v prírode a technike 8

Krvné cievy 10

Pena v službách človeka 11

Praktická časť 11

„Štúdium kapilárnych vlastností rôznych vzoriek porézneho papiera“ 11

Zistenia a závery 13

Referencie 13

Prehľad literatúry

Kapilárne javy sú fyzikálne javy spôsobené povrchovým napätím na rozhraní nemiešateľných médií. Takéto javy zvyčajne zahŕňajú javy v kvapalných médiách spôsobené zakrivením ich povrchu, ktorý hraničí s inou kvapalinou, plynom alebo vlastnou parou.

Kapilárne javy zahŕňajú rôzne prípady rovnováhy a pohybu povrchu kvapaliny pri pôsobení medzimolekulárnych interakčných síl a vonkajších síl (predovšetkým gravitácie). V najjednoduchšom prípade, keď vonkajšie sily chýbajú alebo sú kompenzované, je povrch kvapaliny vždy zakrivený. Takže v podmienkach beztiaže má obmedzený objem kvapaliny, ktorá neprichádza do kontaktu s inými telesami, tvar gule pod pôsobením povrchového napätia. Tento tvar zodpovedá stabilnej rovnováhe kvapaliny, pretože guľa má minimálny povrch pre daný objem, a preto je povrchová energia kvapaliny v tomto prípade minimálna. Kvapalina má tvar gule, aj keď je v inej kvapaline rovnakej hustoty (pôsobenie gravitácie je kompenzované Archimedovou vztlakovou silou).

Vlastnosti systémov pozostávajúcich z mnohých malých kvapôčok alebo bubliniek (emulzie, kvapalné aerosóly, peny) a podmienky ich vzniku sú do značnej miery determinované zakrivením povrchu častíc, teda kapilárnymi javmi. Rovnako dôležitú úlohu pri tvorbe novej fázy zohrávajú kapilárne javy: kvapôčky kvapaliny počas kondenzácie pár, bubliny pár počas varu kvapaliny a zárodky pevnej fázy počas kryštalizácie.

Keď sa kvapalina dostane do kontaktu s pevnými látkami, tvar jej povrchu je výrazne ovplyvnený javmi zvlhčovania v dôsledku interakcie molekúl kvapaliny a pevnej látky.

Kapilárna absorpcia hrá zásadnú úlohu pri zásobovaní rastlín vodou, pohybe vlhkosti v pôde a iných pórovitých telesách. Kapilárna impregnácia rôznych materiálov je široko používaná v procesoch chemického inžinierstva.

Zakrivenie voľného povrchu kvapaliny pôsobením vonkajších síl spôsobuje existenciu takzvaných kapilárnych vĺn (“vlnenie” na hladine kvapaliny). Kapilárne javy pri pohybe kvapalinových rozhraní zohľadňuje fyzikálno-chemická hydrodynamika.

Kapilárne javy prvýkrát objavili a študovali Leonardo da Vinci, B. Pascal (17. storočie) a J. Zhuren (Dzhurin, 18. storočie) pri pokusoch s kapilárnymi trubicami. Teóriu kapilárnych javov rozvinuli v prácach P. Laplace (1806), T. Young (Young, 1805), J.W. Gibbs (1875) a I.S. Gromeki (1879, 1886).

Vlastnosti kvapalín. Povrchové napätie

Molekuly látky v kvapalnom stave sú umiestnené takmer blízko seba. Na rozdiel od pevných kryštalických telies, v ktorých molekuly tvoria usporiadané štruktúry v celom objeme kryštálu a môžu vykonávať tepelné vibrácie okolo pevných centier, majú molekuly kvapaliny väčšiu voľnosť. Každá molekula kvapaliny, ako aj v pevnom tele, je zo všetkých strán „zovretá“ susednými molekulami a vykonáva tepelné vibrácie okolo určitej rovnovážnej polohy. Z času na čas sa však môže ľubovoľná molekula presunúť na susedné voľné miesto. Takéto skoky v kvapalinách sa vyskytujú pomerne často; preto molekuly nie sú pripojené k určitým centrám ako v kryštáloch a môžu sa pohybovať v celom objeme kvapaliny. To vysvetľuje tekutosť tekutín. Vďaka silnej interakcii medzi tesne umiestnenými molekulami môžu vytvárať lokálne (nestabilné) usporiadané skupiny obsahujúce niekoľko molekúl. Tento jav sa nazýva poradie krátkeho dosahu (obr. 1).

V dôsledku hustého balenia molekúl je stlačiteľnosť kvapalín, t.j. zmena objemu so zmenou tlaku, veľmi malá; je to desať a stotisíckrát menej ako v plynoch.

Kvapaliny, podobne ako pevné látky, menia svoj objem so zmenou teploty. Pre nie príliš veľké teplotné rozsahy je relatívna zmena objemu ΔV / V 0 úmerná zmene teploty ΔT:

Koeficient β sa nazýva teplotný koeficient objemovej rozťažnosti. Tepelná rozťažnosť vody má pre život na Zemi zaujímavú a dôležitú anomáliu. Pri teplotách pod 4°C voda expanduje. Maximálnu hustotu ρ in = 10 3 kg / m 3 má voda pri teplote 4 ° C.

Keď voda zamrzne, roztiahne sa, takže ľad zostane plávať na povrchu zamŕzajúcej vodnej plochy. Teplota mraziacej vody pod ľadom je 0°C. V hustejších vrstvách vody pri dne nádrže je teplota okolo 4 °C. Vďaka tomu môže vo vode mrazivých nádrží existovať život.

Najzaujímavejšou vlastnosťou kvapalín je prítomnosť voľného povrchu. Kvapalina, na rozdiel od plynov, nevyplní celý objem nádoby, do ktorej sa naleje. Medzi kvapalinou a plynom (alebo parou) sa vytvorí rozhranie, ktoré je v porovnaní so zvyškom hmoty kvapaliny v špeciálnych podmienkach. Molekuly v hraničnej vrstve kvapaliny, na rozdiel od molekúl v jej hĺbke, nie sú zo všetkých strán obklopené inými molekulami tej istej kvapaliny. Sily medzimolekulovej interakcie pôsobiace na jednu z molekúl vnútri kvapaliny od susedných molekúl sú v priemere vzájomne kompenzované. Každá molekula v hraničnej vrstve je priťahovaná molekulami vo vnútri kvapaliny (sily pôsobiace na danú molekulu kvapaliny z molekúl plynu (alebo pary) možno zanedbať). V dôsledku toho sa objaví určitá výsledná sila smerujúca hlboko do kvapaliny (obr. 2)

Obr.2

Ak sa molekula presunie z povrchu do kvapaliny, sily medzimolekulovej interakcie vykonajú pozitívnu prácu. Naopak, na vytiahnutie určitého počtu molekúl z hĺbky kvapaliny na povrch (t.j. na zväčšenie plochy povrchu kvapaliny) je potrebné vynaložiť kladnú prácu vonkajších síl ΔA ext. úmerné zmene ΔS plochy povrchu:
ΔA externé = σΔS.
Koeficient σ sa nazýva koeficient povrchového napätia (σ > 0). Koeficient povrchového napätia sa teda rovná práci potrebnej na zväčšenie plochy povrchu kvapaliny pri konštantnej teplote o jednu jednotku.

V SI sa koeficient povrchového napätia meria v jouloch na meter štvorcový (J / m 2) alebo v newtonoch na meter (1 N / m \u003d 1 J / m 2).

V dôsledku toho majú molekuly povrchovej vrstvy kvapaliny nadmernú potenciálnu energiu v porovnaní s molekulami vo vnútri kvapaliny. Potenciálna energia Ep povrchu kvapaliny je úmerná jej ploche:
E p = A externé = σS.
Z mechaniky je známe, že rovnovážne stavy systému zodpovedajú minimálnej hodnote jeho potenciálnej energie. Z toho vyplýva, že voľný povrch kvapaliny má tendenciu zmenšovať svoju plochu. Z tohto dôvodu voľná kvapka kvapaliny nadobúda sférický tvar (obr. 3)
.

Obr.3
Kvapalina sa správa tak, ako keby sily pôsobili tangenciálne k jej povrchu, čím sa tento povrch zmenšuje (sťahuje). Tieto sily sa nazývajú sily povrchového napätia.

Prítomnosť síl povrchového napätia spôsobuje, že povrch kvapaliny vyzerá ako elastická napnutá fólia, s jediným rozdielom, že elastické sily vo fólii závisia od jej povrchovej plochy (t. j. od toho, ako sa fólia deformuje) a sily povrchového napätia áno. nezávisí od povrchovej plochy tekutín.

Pretože každý systém spontánne prechádza do stavu, v ktorom je jeho potenciálna energia minimálna, kvapalina musí spontánne prejsť do stavu, v ktorom má jej voľná plocha najmenšiu hodnotu. Dá sa to ukázať pomocou nasledujúceho experimentu.

Na drôte ohnutom do tvaru písmena P je zosilnený pohyblivý priečny nosník (obr. 4). Takto získaný rám je utiahnutý mydlovým filmom, čím sa rám spustí do mydlového roztoku. Po odstránení rámu z roztoku sa priečka pohybuje nahor, t.j. molekulárne sily skutočne zmenšujú voľnú plochu povrchu kvapaliny.

Obr.4
Keďže guľa má najmenší povrch pri rovnakom objeme, kvapalina v stave beztiaže má tvar gule. Z rovnakého dôvodu majú malé kvapky kvapaliny guľovitý tvar. Tvar mydlových filmov na rôznych rámoch vždy zodpovedá najmenšej voľnej ploche kvapaliny.

Plateau Experience

Prirodzeným tvarom každej kvapaliny je guľa. Zvyčajne gravitácia bráni kvapaline získať tento tvar a kvapalina sa šíri v tenkej vrstve, ak nie je žiadna nádoba, alebo má formu nádoby. Kvapalina, ktorá sa nachádza vo vnútri inej kvapaliny rovnakej hustoty, nadobúda prirodzený guľovitý tvar.

Obr.5
Olivový olej pláva vo vode, ale klesá v alkohole. Môžete pripraviť zmes vody a alkoholu, v ktorej bude olej v rovnováhe. Sklenenou skúmavkou alebo injekčnou striekačkou do tejto zmesi dáme trochu olivového oleja: olej sa zhromaždí do jednej guľovej kvapky, ktorá bude nehybne visieť v tekutine. Ak stredom olejovej gule prevlečiete drôtik a otáčate ním, olejová guľa sa začne sploštiť a po niekoľkých sekundách sa z nej oddelí prstenec malých guľovitých kvapôčok oleja. Tento experiment ako prvý uskutočnil belgický fyzik Plateau.

V gigantickom meradle možno takýto jav pozorovať u našej hviezdy Slnka a obrích planét. Tieto nebeské telesá sa veľmi rýchlo otáčajú okolo svojej osi. V dôsledku tejto rotácie sú telesá na póloch veľmi silne stlačené.

Obr.6

Fenomény vlhnutia a nezmáčania. Uhol okraja.

Zmáčanie a nezmáčanie - kapilárne javy sú v prírode a technike rozšírené. Sú dôležité tak v každodennom živote, ako aj pri riešení najdôležitejších vedeckých a technických problémov. Znalosť týchto problémov vám umožňuje odpovedať na mnohé otázky. Napríklad, že kapilárne javy umožňujú príjem živín a vlhkosti z pôdy koreňovým systémom vegetácie, že krvný obeh v živých organizmoch je založený na kapilárnom jave, čo je to flotácia a kde našla uplatnenie, prečo sú niektoré pevné látky dobre zmáčané kvapalinou, iné sú zlé atď.

Ak sklenú tyčinku spustíte do ortuti a potom ju vyberiete, nebude na nej žiadna ortuť. Ak sa táto palica spustí do vody, tak po vytiahnutí zostane na jej konci kvapka vody. Táto skúsenosť ukazuje, že molekuly ortuti sa k sebe priťahujú silnejšie ako molekuly skla a molekuly vody sa k sebe priťahujú menej ako molekuly skla.

Ak sa molekuly kvapaliny k sebe priťahujú slabšie ako molekuly pevnej látky, potom sa kvapalina nazýva zmáčanie túto látku. Voda napríklad zmáča čisté sklo a nezmáča parafín. Ak sa molekuly kvapaliny k sebe priťahujú silnejšie ako k molekulám pevnej látky, potom sa kvapalina nazýva nezmáčavá látka. Ortuť nezmáča sklo, ale zmáča čistú meď a zinok.

Položme vodorovne rovnú dosku z tuhej látky a nakvapkáme na ňu testovaciu kvapalinu. Potom bude kvapka umiestnená buď tak, ako je znázornené na obr. 7( a), alebo ako je znázornené na obr. 7( b).

a) b)

Obr.7.
V prvom prípade kvapalina zmáča pevnú látku, zatiaľ čo v druhom nie. Nazýva sa uhol θ vyznačený na obr kontaktný uhol. Kontaktný uhol tvorí rovný povrch tuhého telesa a rovina dotyčnica k voľnému povrchu kvapaliny, kde sa pevné teleso, kvapalina a plyn ohraničujú; vo vnútri kontaktného uhla je vždy kvapalina. Pre zmáčacie kvapaliny je kontaktný uhol ostrý a pre nezmáčajúce kvapaliny je tupý. Aby gravitačné pôsobenie nedeformovalo kontaktný uhol, pokles by mal byť čo najmenší.

Pretože kontaktný uhol θ je zachovaný vo vertikálnej polohe pevného povrchu, zmáčacia kvapalina na okrajoch nádoby, do ktorej sa nalieva, stúpa a nezmáčavá kvapalina klesá.

Pri úplnom zvlhčení je θ = 0, cos θ = 1.

Obr.8

Kapilárne javy v prírode a technike

Stúpanie kvapaliny v kapiláre pokračuje, kým sa gravitačná sila pôsobiaca na kvapalinový stĺpec v kapiláre nerovná modulu výslednej Fn síl povrchového napätia pôsobiacich pozdĺž hranice kontaktu medzi kvapalinou a povrchom kapiláry: Ft = Fn, kde Ft = mg = ρhπr 2 g, Fn = σ2πr cos θ.

To znamená:

Zakrivenie povrchu kvapaliny v úzkych rúrach vedie k zjavnému porušeniu zákona o komunikujúcich nádobách.

Zo vzorca je vidieť, že výška h čím väčší, tým menší je vnútorný polomer rúrky r. Stúpanie vody má významnú hodnotu v rúrach, ktorých vnútorný priemer je úmerný priemeru vlasu (alebo ešte menej); preto sa takéto rúrky nazývajú kapiláry (z gréckeho "capillaris" - vlasy, tenké). Zmáčavá kvapalina v kapilárach stúpa (obr. 9, a) a nezmáčavá kvapalina klesá (obr. 9, b).

Obr.9


Kapilárne javy možno pozorovať nielen v rúrach, ale aj v úzkych štrbinách. Ak spustíte dve sklenené dosky do vody tak, že sa medzi nimi vytvorí úzka medzera, potom voda medzi doskami stúpne a čím vyššie, tým bližšie sú. Kapilárne javy hrajú dôležitú úlohu v prírode a technike. V rastlinách sa nachádza veľa malých kapilár. V stromoch vlhkosť z pôdy stúpa cez kapiláry do vrcholkov stromov, kde sa cez listy vyparuje do atmosféry. V pôde sú kapiláry, ktoré sú užšie, čím je pôda hustejšia. Voda cez tieto kapiláry stúpa na povrch a rýchlo sa vyparuje a zem sa stáva suchou. Skorá jarná orba ničí kapiláry, t.j. zadržiava vlhkosť v podzemí a zvyšuje úrodu.

V technike majú kapilárne javy veľký význam, napr. v procesoch sušenia kapilárno-poréznych telies a pod. Kapilárne javy majú veľký význam v stavebníctve. Napríklad, aby tehlová stena nenavlhla, medzi základom domu a stenou sa vyrobí tesnenie z hmoty, v ktorej nie sú žiadne kapiláry. V papierenskom priemysle sa pri výrobe rôznych druhov papiera musí brať do úvahy vzlínavosť. Napríklad pri výrobe písacieho papiera sa impregnuje špeciálnou zmesou, ktorá upcháva kapiláry. V každodennom živote sa kapilárne javy používajú v knôtoch, v pijavom papieri, v perách na zásobovanie atramentom atď.

Väčšina rastlinných a živočíšnych tkanív je preniknutá obrovským počtom kapilárnych ciev. Práve v kapilárach prebiehajú hlavné procesy spojené s dýchaním a výživou tela, všetka najzložitejšia chémia života úzko súvisí s difúznymi javmi. Kmene stromov, konáre a stonky rastlín sú preniknuté obrovským množstvom kapilár, ktorými živiny stúpajú až k samotným vrchným listom. Koreňový systém rastlín končí najtenšími vláknami-kapilármi. A samotná pôda, zdroj výživy pre koreň, môže byť reprezentovaná ako súbor kapilárnych rúrok, ktorými v závislosti od štruktúry a spracovania voda s látkami v nej rozpustenými rýchlejšie alebo pomalšie stúpa na povrch. Výška stúpania kvapaliny v kapilárach je tým väčšia, čím je jej priemer menší. Z toho je zrejmé, že pre zachovanie vlahy je potrebné pôdu prekopať a pre odvodnenie je potrebné ju zhutniť.

Úloha povrchových javov v prírode je rôznorodá. Napríklad povrchový film vody je pre mnohé organizmy oporou pri pohybe. Táto forma pohybu sa vyskytuje u malého hmyzu a pavúkovcov. Najznámejšie vodné stridere spočívajú na vode iba koncovými segmentmi široko rozmiestnených nôh. Chodidlo pokryté voskovým povlakom nie je zmáčané vodou, povrchová vrstva vody sa pod tlakom chodidla prepadá a vytvára malú priehlbinu. Niektoré druhy pobrežných pavúkov sa pohybujú podobným spôsobom, ale ich nohy nie sú rovnobežné s hladinou vody, ako u vodných striderov, ale v pravom uhle k nej.

Niektoré živočíchy, ktoré žijú vo vode, ale nemajú žiabre, sú zavesené zospodu na povrchový film vody pomocou nezmáčateľných štetín obklopujúcich ich dýchacie orgány. Túto techniku ​​používajú larvy komárov (vrátane malarických).

Perie a páperie vodného vtáctva sú vždy bohato potreté tukovým výlučkom špeciálnych žliaz, čo vysvetľuje ich nepriepustnosť. Hrubá vrstva vzduchu uzavretá medzi perím kačice a nevytlačená vodou nielen chráni kačicu pred stratou tepla, ale tiež výrazne zvyšuje rezervu vztlaku a pôsobí ako záchranný pás.

Voskový povlak na listoch zabraňuje zaplaveniu takzvaných prieduchov, čo by mohlo viesť k narušeniu správneho dýchania rastlín. Prítomnosť rovnakého voskového náteru vysvetľuje vodeodolnosť slamenej strechy, kopy sena atď.

Hlavným orgánom spotrebúvajúcim vlhkosť, kde je voda neustále potrebná, vrátane fotosyntézy, je list umiestnený ďaleko od koreňa. Okrem toho je list obklopený vzduchom, ktorý z neho často „odoberá“ vodu, aby sa „nasýtil“ vodnou parou. Vzniká rozpor: list neustále potrebuje vodu, ale neustále ju stráca a koreň má neustále prebytok vody, hoci sa jej nebráni zbaviť sa. Riešenie tohto problému je zrejmé: musíte čerpať prebytočnú vodu z koreňa do listov. Úlohu takéhoto systému zásobovania vodou preberá stonka. Dodáva vodu do listov cez špeciálne trubice - kapiláry. U krytosemenných rastlín sú najdokonalejšie a sú to dlhé (v raste samotnej rastliny) duté cievy, ktorých steny sú vystlané celulózou a lignínom. Systém takýchto vodivých ciev sa nazýva xylém (z gréckeho xylon - drevo, drevený blok).

Ak sa v lúmene ciev koreňového xylému koncentrujú minerálne látky, ktoré koreň vstrebal z pôdy, mechanizmom osmózy sa do xylému z okolitých koreňových buniek vyrúti voda.

Mechanizmus „vodnej pumpy“ pozostáva z dvoch osmotických púmp a kapilárnych síl stien nádoby.

Cievy

Celé telo je prepichnuté krvnými cievami. Líšia sa štruktúrou. Tepny sú cievy, ktoré odvádzajú krv zo srdca. Majú husté elastické elastické steny, ktoré zahŕňajú hladké svaly. Keď sa srdce stiahne, vytlačí krv pod vysokým tlakom do tepny. Vďaka hustote a elasticite stien tepny vydržia tento tlak a natiahnutie.

Veľké tepny sa rozvetvujú, keď sa vzďaľujú od srdca. Najmenšie tepny sa rozpadajú na najtenšie kapiláry. Ich steny sú tvorené jednou vrstvou plochých buniek. Látky rozpustené v krvnej plazme prechádzajú cez steny kapilár do tkanivového moku a odtiaľ sa dostávajú do buniek. Odpadové produkty buniek prenikajú cez steny kapilár z tkanivového moku do krvi. V ľudskom tele je približne 150 miliárd kapilár. Ak sú všetky kapiláry nakreslené v jednej línii, potom môže obkolesiť zemeguľu pozdĺž rovníka dva a pol krát. Krv z kapilár sa zhromažďuje v žilách - cievach, cez ktoré sa krv pohybuje do srdca. Tlak v žilách je malý, ich steny sú tenšie ako steny tepien.

Pena v službách človeka

Nebola to teória, ktorá viedla k samotnej myšlienke flotácie, ale starostlivé pozorovanie náhodnej skutočnosti. Na konci XIX storočia. Americký učiteľ Curry Everson, ktorý umýval mastné vrecká, v ktorých bol uložený pyrit meďnatý, upozornil na skutočnosť, že zrnká pyritu sa vznášajú s mydlovou penou. To bol impulz pre vývoj flotačnej metódy. Táto metóda je široko používaná v banskom a hutníckom priemysle na úpravu rúd, t.j. zvýšiť v nich relatívny obsah cenných zložiek. Podstata flotácie je nasledovná. Jemne pomletá ruda sa naloží do kade s vodou a olejovými látkami, ktoré sú schopné obaliť častice užitočného minerálu tým najtenším filmom, ktorý nie je zmáčaný vodou. Zmes sa energicky premiešava so vzduchom, takže sa vytvorí veľa drobných bubliniek - peny. Zároveň sa častice užitočného minerálu, obalené v tenkom olejovom filme, pri kontakte s plášťom vzduchovej bubliny naň prilepia, visia na bubline a sú s ňou unášané hore ako na balóne. Častice odpadovej horniny, ktoré nie sú obalené olejovitou látkou, sa nelepia na škrupinu a zostávajú v kvapaline. Výsledkom je, že takmer všetky užitočné minerálne častice skončia v pene na povrchu kvapaliny. Pena sa odoberie a pošle na ďalšie spracovanie – na získanie koncentrátu tzv .

Flotačná technika umožňuje pri správnom výbere zmiešaných kvapalín oddeliť požadovaný užitočný minerál z odpadovej horniny akéhokoľvek zloženia.

Praktická časť

"Štúdium kapilárnych vlastností rôznych vzoriek porézneho papiera"

Cieľ: na štúdium kapilárnych vlastností rôznych vzoriek porézneho papiera (napríklad papierových obrúskov od rôznych výrobcov).

Zariadenia a materiály: vzorky papiera, destilovaná voda, pravítko, kúpeľ.

Spôsob vykonania:

Meno výrobcu			Odhadovaný kapilárny polomer, 10 -5 m
	2,25 2,3	2,25	0,6621	4
LLC "BRIZ", Novorossijsk	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

Pokus som zopakoval a nahradil som vodu mliekom.

Mlieko 2,5 %;

Pri výpočtoch som použil nasledujúce tabuľkové hodnoty:

 - hustota mlieka (1,03x10 3 kg / m 3);

 - povrchové napätie (pre mlieko na hranici so vzduchom  = 46 x 10 -3 N/m)

Meno výrobcu	Výška zdvihu kvapaliny, 10 -2 m	Priemerná hodnota výšky stúpania kvapaliny 10 -2 m	Odhadovaný kapilárny polomer, 10 -3 m	Hodnotenie kvality absorpcie vlhkosti podľa 4-bodového systému
OOO Ruský papier VŠETKY produkty, Bryansk	1,1 1,1	1,09	0,836	4
LLC "BRIZ", Novorossijsk	0,8 0,55	0,64	1,424	3
LLC New Technologies, Krasnodar	0,3 0,38	0,31	2,94	2
IP Kitaikin A.B. Novošachtinsk, Rostovská oblasť	0,98 1,0	0,97	0,94	4

Zistenia a závery

1. 
   Výsledkom vykonanej práce bolo objektívne hodnotenie kvality papierových obrúskov od rôznych výrobcov.
2. 
   Najlepšie výsledky ukázali vzorky výrobcov: LLC Russian Paper ALL Products, Bryansk a IP Kitaikin A.B. Novošachtinsk, Rostovská oblasť
3. 
   Najhoršie dopadli obrúsky New Technologies LLC, Krasnodar, vyrobené pre sieť obchodov Magnit.
4. 
   Najlepšie obrúsky možno odporučiť na použitie v jedálni lýcea č.43.

Bibliografický zoznam

1. 
   Fyzická encyklopédia. http://enc-dic.com/enc_physics/Kapilljarne-javlenija-911.html
2. 
   Vlastnosti kvapalín http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=161&Itemid=72#q3
3. 
   kapilárne javy. http://seaniv2006.narod.ru/1191.html (03.12.12)

Kapilárne javy, povrchové javy na rozhraní kvapaliny s iným prostredím, spojené so zakrivením jej povrchu. K zakriveniu povrchu kvapaliny na hranici s plynnou fázou dochádza v dôsledku pôsobenia povrchového napätia kvapaliny, ktoré má tendenciu zmenšovať rozhranie a dať obmedzenému objemu kvapaliny tvar gule. Keďže guľa má pre daný objem minimálny povrch, tento tvar zodpovedá minimálnej povrchovej energii kvapaliny, t.j. jeho stabilný rovnovážny stav. V prípade dostatočne veľkých hmôt kvapaliny je účinok povrchového napätia kompenzovaný gravitáciou, takže kvapalina s nízkou viskozitou rýchlo získa formu nádoby, do ktorej sa naleje, a je voľná. povrch sa javí ako takmer plochý.

V neprítomnosti gravitácie alebo v prípade veľmi malých hmôt nadobudne kvapalina vždy guľový tvar (kvapka), ktorej zakrivenie povrchu určuje veľa vecí. vlastnosti látky. Preto sú kapilárne javy výrazné a zohrávajú významnú úlohu v podmienkach beztiaže, pri drvení kvapaliny v plynnom prostredí (alebo rozprašovaní plynu do kvapaliny) a vytváraní systémov pozostávajúcich z mnohých kvapiek alebo bublín (emulzie, aerosóly , peny), pri vzniku novej fázy kvapôčok kvapaliny pri kondenzácii pár, bublinky pár pri vare, kryštalizačné zárodky. Pri kontakte kvapaliny s kondenzovanými telesami (iná kvapalina alebo tuhá látka) dochádza v dôsledku pôsobenia medzipovrchového napätia k zakriveniu rozhrania.

V prípade zvlhčovania, napríklad, keď sa kvapalina dostane do kontaktu s pevnou stenou nádoby, príťažlivé sily pôsobiace medzi molekulami pevnej látky a kvapaliny spôsobia jej stúpanie pozdĺž steny nádoby, v dôsledku čoho časť povrchu kvapaliny priľahlá k stene má konkávny tvar. V úzkych kanáloch, napríklad vo valcových kapilárach, sa vytvára konkávny meniskus - úplne zakrivený povrch kvapaliny (obr. 1).

Ryža. 1. Kapilárna elevácia h kvapalina zmáčajúca steny kapiláry s polomerom r; q - kontaktný uhol zmáčania.

kapilárny tlak.

Pretože sily povrchového (medzifázového) napätia sú nasmerované tangenciálne k povrchu kvapaliny, jej zakrivenie vedie k objaveniu sa zložky nasmerovanej do objemu kvapaliny. V dôsledku toho vzniká kapilárny tlak, ktorého hodnota Dp súvisí s priemerným polomerom zakrivenia povrchu r 0 podľa Laplaceovej rovnice:

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

kde p 1 a p 2 - tlak v kvapaline 1 a susednej fáze 2 (plyn alebo kvapalina), s 12 - povrchové (medzifázové) napätie.

Ak je povrch kvapaliny konkávny (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) znamienko Dp je obrátené. Negatívny kapilárny tlak, ktorý vzniká pri navlhčení stien kapiláry kvapalinou, vedie k tomu, že kvapalina bude nasávaná do kapiláry až do výšky hmotnosti stĺpca kvapaliny. h nevyrovná pokles tlaku Dp. V rovnovážnom stave je výška kapilárneho vzostupu určená Jurinovým vzorcom:

kde r 1 a r 2 sú hustoty kvapaliny 1 a média 2, g je gravitačné zrýchlenie, r je polomer kapiláry, q je uhol zmáčania. Pre kvapaliny, ktoré nezmáčajú steny kapilár, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

Z výrazu (2) vyplýva definícia kapilárnej konštanty kvapaliny a= 1/2. Má rozmer dĺžky a charakterizuje lineárnu veľkosť Z[a, pri ktorých sa kapilárne javy stávajú významnými So, pre vodu s teplotou 20 ° C a = 0,38 cm Pri slabej gravitácii (g: 0) je hodnota a zvyšuje. V oblasti kontaktu častíc kapilárna kondenzácia vedie ku kontrakcii častíc pôsobením zníženého tlaku Dp< 0.

Kelvinova rovnica.

Zakrivenie povrchu kvapaliny vedie k zmene rovnovážneho tlaku pár nad ňou R v porovnaní s tlakom nasýtenej pary ps nad rovným povrchom pri rovnakej teplote T. Tieto zmeny sú opísané Kelvinovou rovnicou:

kde je molárny objem kvapaliny, R je plynová konštanta. Zníženie alebo zvýšenie tlaku pary závisí od znamienka zakrivenia povrchu: nad konvexnými povrchmi (r 0 > 0) p > p s; cez konkávne (r 0< 0) R< р s . . Takže nad kvapkami sa tlak pary zvyšuje; v bublinách sa naopak znižuje.

Na základe Kelvinovej rovnice sa vypočíta plnenie kapilár alebo pórovitých telies pri kapilárna kondenzácia. Keďže hodnoty R sú rôzne pre častice rôznych veľkostí alebo pre povrchové plochy s priehlbinami a výbežkami, rovnica (3) určuje aj smer presunu hmoty v procese prechodu sústavy do rovnovážneho stavu. To vedie najmä k tomu, že odparovaním (rozpúšťaním) menších rastú relatívne veľké kvapky alebo častice a rozpúšťaním výčnelkov a hojením priehlbín sa vyrovnávajú povrchové nerovnosti nekryštalických teliesok. . Znateľné rozdiely v tlaku pár a rozpustnosti sa vyskytujú len pri dostatočne malom r 0 (pre vodu napr. pri r 0. Preto sa Kelvinova rovnica často používa na charakterizáciu stavu koloidných systémov a pórovitých telies a procesov v nich.

Ryža. 2. Výtlak kvapaliny podľa dĺžky l v kapiláre s polomerom r; q - kontaktný uhol.

kapilárna impregnácia.

Pokles tlaku pod konkávnymi meniskom je jedným z dôvodov kapilárneho pohybu kvapaliny smerom k meniskom s menším polomerom zakrivenia. Špecifickým prípadom je impregnácia poréznych telies - samovoľná absorpcia tekutín do lyofilných pórov a kapilár (obr. 2). Rýchlosť v pohyb menisku v horizontálne umiestnenej kapiláre (alebo vo veľmi tenkej vertikálnej kapiláre, keď je vplyv gravitácie malý) je určený Poiseuillovou rovnicou:

kde l je dĺžka sekcie absorbovanej kvapaliny, h je jej viskozita, Dp je pokles tlaku v sekcii l, rovná kapilárnemu tlaku menisku: Dp = - 2s 12 cos q/r. Ak kontaktný uhol q nezávisí od rýchlosti v, je možné vypočítať množstvo absorbovanej kvapaliny v priebehu času t z pomeru:

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

Ak q je funkcia v, potom l a v spojené so zložitejšími vzťahmi.

Rovnice (4) a (5) sa používajú na výpočet rýchlosti impregnácie pri ošetrovaní dreva antiseptikami, farbení tkanín, aplikácii katalyzátorov na porézne nosiče, lúhovaní a difúznej extrakcii cenných zložiek hornín atď. Na urýchlenie impregnácie sa často používajú povrchovo aktívne látky používané, ktoré zlepšujú zmáčanie znížením kontaktného uhla q. Jednou z možností kapilárnej impregnácie je vytesnenie jednej kvapaliny z porézneho média iným, ktoré sa nemieša s prvým a lepšie zmáčajúcim povrch pórov. To je základ napríklad metód extrakcie zvyškovej ropy z nádrží vodnými roztokmi povrchovo aktívnych látok a metód ortuťovej porozimetrie. Fyzikálno-chemická hydrodynamika uvažuje kapilárnu absorpciu roztokov do pórov a vytláčanie nemiešateľných kvapalín z pórov, sprevádzané adsorpciou a difúziou zložiek.

Okrem opísaných rovnovážnych stavov kvapaliny a jej pohybu v póroch a kapilárach sa ako kapilárne javy označujú aj rovnovážne stavy veľmi malých objemov kvapaliny, najmä tenkých vrstiev a filmov. Tieto kapilárne javy sa často označujú ako kapilárne javy typu II. Vyznačujú sa napríklad závislosťou povrchového napätia kvapaliny od polomeru kvapiek a lineárnym napätím. Kapilárne javy prvýkrát študovali Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (17. storočie) a J. Jurin (18. storočie) pri pokusoch s kapilárami. Teóriu kapilárnych javov rozvinuli v prácach P. Laplace (1806), T. Jung (1804), A. Yu.Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886). Začiatok rozvoja teórie kapilárnych javov druhého druhu položili práce B. V. Deryagina a L. M. Shcherbakova.

KAPILÁRNE JAVY- súbor javov spôsobených pôsobením medzipovrchového napätia na rozhraní nemiešateľných médií; do K. i. zvyčajne zahŕňajú javy v kvapalinách spôsobené zakrivením ich povrchu, hraničiace s inou kvapalinou, plynom alebo vlastným. trajekt. K. Ya je špeciálny prípad povrchových javov. Pri absencii kvapaliny je povrch vždy zakrivený. Pod vplyvom má obmedzený objem kvapaliny tendenciu mať tvar gule, t.j. zaberať objem s min. povrch. Gravitačné sily výrazne menia obraz. Kvapalina s relatívne nízkou viskozitou rýchlo získa formu nádoby, do ktorej sa naleje, a jej voľný povrch (nesusediaci so stenami nádoby) v prípade dostatočne veľkých hmôt kvapaliny a veľkej plochy voľný povrch je prakticky rovný. Keď sa však hmotnosť kvapaliny znižuje, úloha povrchového napätia sa stáva významnejšou ako gravitačná sila. Takže napríklad pri drvení kvapaliny v plyne (alebo plynu v kvapaline) sa vytvárajú guľovité kvapôčky (bubliny). formulárov. Vlastnosti systémov obsahujúcich veľké množstvo kvapiek alebo bublín (emulzie, kvapalné aerosóly, peny) a podmienky ich tvorby sú do značnej miery určené zakrivením povrchu týchto útvarov, teda K. I. Veľkú úlohu K. I. Tiež sa podieľajú na nukleácii počas kondenzácie pár, varu kvapaliny a kryštalizácie. Zakrivenie povrchu kvapaliny môže nastať aj v dôsledku jej interakcie s povrchom inej kvapaliny alebo pevnej látky. V tomto prípade prítomnosť alebo neprítomnosť zmáčanie kvapalina na tomto povrchu. Ak k nemu dôjde, t.j. molekuly kvapaliny 1 (obr. 1) interagujú silnejšie s povrchom tuhého telesa 3 ako s molekulami inej kvapaliny (alebo plynu) 2, potom vplyvom rozdielu v sily medzimolekulovej interakcie, kvapalina stúpa pozdĺž steny nádoby a v blízkosti pevného telesa, časť povrchu kvapaliny bude zakrivená. Hydrostatický tlak spôsobený zvýšením hladiny kvapaliny je vyrovnaný kapilárny tlak- tlakový rozdiel nad a pod zakriveným povrchom, ktorého hodnota súvisí s lokálnym zakrivením povrchu kvapaliny. Ak priblížite ploché steny nádoby ku kvapaline, potom sa zóny zakrivenia prekryjú a vytvorí sa meniskus - úplne zakrivený povrch. V takejto kapiláre sa za podmienok zvlhčovania pod konkávnym meniskom zníži tlak, kvapalina stúpa; hmotnosť stĺpca kvapaliny. h 0 vyrovnáva kapilárny tlak Dр. V rovnováhe

Povrchové napätie je pomerne ľahké určiť experimentálne. Na určenie povrchového napätia existujú rôzne metódy, ktoré sa delia na statické, semistatické a dynamické. Statické metódy sú založené na kapilárnych javoch spojených so zakrivením rozhrania.

S objavením sa povrchového zakrivenia medzi fázami sa vnútorný tlak tela mení a vzniká dodatočný (kapilárny) Laplaceov tlak. R, ktorý môže zvýšiť alebo znížiť charakteristiku vnútorného tlaku plochého povrchu. Tento dodatočný tlak môže byť reprezentovaný ako výsledok síl povrchového napätia smerujúcich do stredu zakrivenia kolmo na povrch. Zakrivenie môže byť pozitívne alebo negatívne (obr. 2.2).

Ryža. 2.2. Schéma vytvárania dodatočného tlaku pre povrch s kladným (a) a záporným (b) zakrivenie

K zmene objemu kvapaliny dochádza v dôsledku samovoľného poklesu povrchovej energie a jej premeny na mechanickú energiu zmeny objemu telesa. V tomto prípade v rovnici (2.2) pre Helmholtzovu energiu pri konštantách T, n, q je potrebné zvážiť iba dva pojmy. dF=-pdV+ods. V rovnováhe dF = 0, teda pdv=ods. V tomto výraze p = P- prídavný tlak (Laplaceov tlak), ktorý sa rovná tlakovému rozdielu medzi tlakom telesa s rovným a zakriveným povrchom (AR):

Pomer sa nazýva zakrivenie povrchu.

Pre sférický povrch. Nahradením tohto výrazu

do rovnice pre dodatočný tlak dostaneme Laplaceovu rovnicu:

kde G- polomer zakrivenia; - zakrivenie alebo disperzita (obr. 2.3).

Ak má povrch nepravidelný tvar, použije sa koncept stredného zakrivenia a použije sa Laplaceova rovnica

kde Gr / * 2 - hlavné polomery zakrivenia.

Ryža. 2.3. Kapilárne stúpanie kvapaliny počas zvlhčovania (a) a nezmáčania (o) kapilárne steny

Pre povrchové napätie je možné Laplaceovu rovnicu prepísať do tvaru zobrazujúceho proporcionalitu povrchu

polomer napätia kapiláry G a tlak R, pri ktorom z kapiláry ponorenej do kvapaliny uniká bublina plynu. Práve na tejto proporcionalite je založená metóda experimentálneho stanovenia povrchového napätia Rehbindera.

Rehbinderova metóda meria tlak, pri ktorom plynová bublina uniká z kapiláry, ktorá je znížená kvapalinou. V okamihu, keď bublina preskočí, nameraný tlak sa bude rovnať kapilárnemu tlaku, polomeru zakrivenia povrchu - polomeru kapiláry. V experimente je prakticky nemožné zmerať polomer kapiláry, preto sa vykonávajú relatívne merania: tlak sa určuje v plynovej bubline, ktorá preskakuje kvapalinou so známym povrchovým napätím (táto kvapalina sa nazýva štandardná) a potom tlak R v plynovej bubline, ktorá preskakuje kvapalinou s určeným povrchovým napätím. Ako štandardná kvapalina sa zvyčajne používa destilovaná voda a na presné merania sa používa bidestilát.

Pomer povrchového napätia štandardnej kvapaliny k tlaku v bubline, ktorá cez ňu preskočí, sa nazýva konštanta

kapilárnej. So známou hodnotou povrchového napätia

(t 0 a namerané tlaky a R pre štandardnú a skúmanú kvapalinu je povrchové napätie tejto kvapaliny určené hlavným výpočtovým vzorcom tejto metódy:

Ak je hodnota známa s vysokou presnosťou, potom bude presná aj hodnota povrchového napätia určovanej kvapaliny. Rehbinderova metóda poskytuje presnosť určenia povrchového napätia do 0,01 mJ/m 2 .

Pri použití metódy zdvíhania sa meria výška stúpania (alebo poklesu) kvapaliny v kapiláre a cc sa porovnáva s výškou stúpania štandardnej kvapaliny, ktorej povrchové napätie je známe (obr. 2.4).

Ryža. 2.4.

Príčinou kapilárneho stúpania je, že kvapalina zmáčajúc steny kapiláry vytvára určité zakrivenie povrchu a výsledný kapilárny Laplaceov tlak dvíha kvapalinu v kapiláre, až kým hmotnosť stĺpca kvapaliny nevyrovná pôsobiacu silu. Stúpanie kvapaliny v kapiláre sa pozoruje, keď je zakrivenie povrchu kvapaliny záporné. Pri konkávnom menisku má Laplaceov tlak tendenciu naťahovať kvapalinu a zdvíhať ju, takéto kapilárne stúpanie sa nazýva pozitívne, je typické pre kvapaliny, ktoré zmáčajú steny kapiláry (napríklad v systéme sklo-voda). Naopak, ak je zakrivenie povrchu pozitívne (konvexný meniskus), potom má dodatočný tlak tendenciu stláčať kvapalinu a pozoruje sa jej pokles v kapiláre, čo sa nazýva záporný kapilárny vzostup. Podobný jav je typický pre prípady, keď steny kapiláry nie sú zmáčané kvapalinou (napríklad v systéme sklo-ortuť).

Súdiac podľa obr. 2.4. zmáčanie ovplyvňuje geometriu povrchu a ak r je polomer zakrivenia, potom polomer samotnej kapiláry R súvisí s ním vzťahom

kde v- kontaktný uhol zmáčania (akútny, za predpokladu, že steny kapiláry sú zmáčané kvapalinou). Z posledného vzťahu vyplýva, že

Dosadením tohto vzťahu do rovnice (2.4) dostaneme

Ak vezmeme do úvahy, že tlak stĺpca kvapaliny v rovnici pdv=ods súvisí s jeho výškou mgh = V(p-p^)gh, môžete získať pomer a potom Jurinov vzorec:

kde h- výška stúpania kvapaliny v kapiláre; R je hustota kvapaliny; ps je hustota jeho nasýtených pár; g- gravitačné zrýchlenie.

Za predpokladu, že hustota kvapaliny R a jeho hustota nasýtených pár ps neporovnateľné (R » p s) pre povrchové napätie môžeme písať

V zjednodušenom vzorci sa tiež predpokladá, že steny nádoby sú úplne zmáčané kvapalinou (cos v = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

Pri praktickom použití metódy sa výpočet povrchového napätia uskutočňuje podľa vzorca

kde a h- výška stúpania v kapiláre štandardnej a testovanej kvapaliny; p^u p- ich hustota.

Táto metóda môže byť použitá ako presná za predpokladu, že čo v - konšt, je to lepšie v= 0°, čo je prijateľné pre mnohé kvapaliny bez ďalších podmienok. V experimente je potrebné použiť tenké kapiláry, ktoré sú dobre zmáčané kvapalinou. Metóda kapilárneho vzostupu môže tiež poskytnúť vysokú presnosť pri určovaní povrchového napätia až do 0,01-0,1 mJ / m