Капиллярные явления

Капиллярные явления представляют собой совокупность эффектов, возникающих на границе раздела фаз в тонких каналах или пористых материалах. Эти явления обусловлены взаимодействием молекул жидкости с поверхностью твёрдого тела и внутренними силами жидкости, в частности силами поверхностного натяжения. Центральное значение имеют адгезия (притяжение молекул жидкости к твердой поверхности) и когезия (взаимное притяжение молекул самой жидкости).

Капиллярное действие проявляется в изменении уровня жидкости в тонких трубках (капиллярах) по сравнению с уровнем в большой резервуарной емкости. Направление движения жидкости зависит от соотношения адгезионных и когезионных сил. Если адгезия превышает когезию, жидкость поднимается по стенкам капилляра; если когезия доминирует, наблюдается опускание жидкости.

Классическое уравнение Юнга–Лапласа для капилляров

Для описания капиллярного подъёма жидкости в трубке радиуса ( r ) используется формула:

[ h = ]

где:

  • ( h ) — высота подъёма жидкости,
  • ( ) — поверхностное натяжение жидкости,
  • ( ) — угол смачивания жидкости поверхностью,
  • ( ) — плотность жидкости,
  • ( g ) — ускорение свободного падения,
  • ( r ) — радиус капилляра.

Ключевые моменты:

  • Подъём жидкости пропорционален поверхностному натяжению и косинусу угла смачивания.
  • Обратная зависимость от радиуса капилляра объясняет значимость капиллярного эффекта только в тонких трубках.
  • Высота подъёма обратно пропорциональна плотности жидкости.

Роль угла смачивания

Угол смачивания () определяется балансом адгезионных и когезионных сил:

[ = ]

где:

  • (_{SG}) — поверхностная энергия твердого тела в контакте с газом,
  • (_{SL}) — поверхностная энергия твердого тела в контакте с жидкостью,
  • () — поверхностное натяжение жидкости.

Интерпретация:

  • (< 90^) — жидкость смачивает поверхность, происходит подъём.
  • (> 90^) — жидкость не смачивает поверхность, наблюдается опускание.

Давление в изогнутой менисковой поверхности

Изменение давления жидкости на границе раздела фаз описывается уравнением Лапласа:

[ P = ( + )]

где ( R_1 ) и ( R_2 ) — радиусы кривизны мениска. Для цилиндрического капилляра:

[ P = ]

Это давление создает капиллярный подъём или опускание жидкости и обеспечивает устойчивость мениска.

Капиллярные явления в пористых материалах

В пористых телах капиллярные эффекты контролируют впитывание и движение жидкости. Основные законы:

  1. Закон Пуазейля для движения жидкости по пористому каналу: [ Q = ] где ( Q ) — объемный расход, ( ) — вязкость, ( L ) — длина канала.

  2. Закон Вика описывает высоту подъёма жидкости в пористой среде: [ h ]

Применение: фильтрация, адсорбция, капиллярный транспорт в растениях и грунтах.

Температурные и концентрационные эффекты

Поверхностное натяжение жидкости зависит от температуры: [ (T) = _0 ( 1 - )^n] где ( T_c ) — критическая температура, ( n )–1.3. С ростом температуры капиллярный подъём уменьшается.

Растворы и смеси изменяют угол смачивания и поверхностное натяжение, что корректирует высоту капиллярного подъёма.

Практическое значение капиллярных явлений

  • Биологические системы: транспорт воды в растениях через ксилему, перемещение жидкостей в микроскопических каналах.
  • Материалы и технологии: впитывающие ткани, фильтры, микро- и наноразмерные каналы в микрофлюидике.
  • Геохимия и почвоведение: миграция воды и растворенных веществ в пористых почвах.

Капиллярные явления формируют основу для многих процессов самосборки, фильтрации и управления жидкостями на микроуровне.

Оглавление