Капиллярные явления

Определение и суть капиллярных явлений Капиллярные явления — это проявления подъёма или понижения жидкости в узких трубках или пористых телах под действием сил межмолекулярного взаимодействия. Основной причиной является взаимодействие молекул жидкости между собой (внутренняя когезия) и с поверхностью твёрдого тела (адгезия). Когда адгезионные силы превышают когезионные, жидкость поднимается, при преобладании когезии — опускается.

Формула капиллярного подъёма и давление в капилляре Высота подъёма жидкости в капилляре определяется уравнением:

$$ h = \frac{2\sigma \cos \theta}{\rho g r} $$

где:

  • h — высота подъёма или опускания жидкости;
  • σ — поверхностное натяжение жидкости;
  • θ — угол смачивания;
  • ρ — плотность жидкости;
  • g — ускорение свободного падения;
  • r — радиус капилляра.

Капиллярное давление, действующее на мениск, определяется формулой Лапласа:

$$ \Delta P = \frac{2\sigma}{r} $$

для сферической поверхности мениска, где r — радиус кривизны поверхности.

Смачиваемость и угол контакта Ключевым параметром является угол контакта θ, определяющий взаимодействие жидкости с твёрдой поверхностью:

  • θ < 90∘ — жидкость смачивает поверхность, происходит подъём;
  • θ > 90∘ — жидкость не смачивает поверхность, происходит понижение мениска.

Классификация капиллярных явлений

  1. Подъём жидкости (смачивающая жидкость) — наблюдается для воды в стекле, спирта в керамических пористых материалах.
  2. Опускание жидкости (несмачивающая жидкость) — типично для ртути в стекле.
  3. Капиллярное всасывание — перемещение жидкости по пористым телам под действием адгезионных сил.
  4. Капиллярная конденсация и испарение — изменение состояния вещества в узких порах из-за повышенного давления и кривизны мениска.

Факторы, влияющие на капиллярные явления

  • Поверхностное натяжение жидкости (σ) — чем выше, тем сильнее подъём или понижение;
  • Радиус капилляра (r) — чем меньше радиус, тем значительнее эффект;
  • Плотность жидкости (ρ) — более лёгкие жидкости поднимаются выше;
  • Смачиваемость поверхности (θ) — определяет направление движения жидкости.

Применение капиллярных явлений

  • В природе: движение воды в почве, транспорт питательных веществ в растениях (ксилема).
  • В технике: капиллярные трубки для измерения поверхностного натяжения, пористые фильтры, медицинские тест-полоски, микрокапиллярные устройства в микрофлюидике.
  • В коллоидной химии: изучение свойств пористых гелей, суспензий и эмульсий, где капиллярные силы определяют устойчивость и распределение частиц.

Механизм капиллярного движения Подъём или опускание жидкости обусловлено балансом сил:

Fадгезия − Fкогезия = ΔP ⋅ S

где S — площадь поперечного сечения капилляра. Процесс сопровождается формированием мениска, изменение кривизны которого изменяет локальное давление, что и приводит к движению жидкости.

Капиллярная конденсация и влияние температуры В узких порах происходит конденсация при давлениях ниже насыщенного давления, что определяется уравнением Кельвина:

$$ \ln \frac{P}{P_0} = - \frac{2\sigma V_m}{r R T} $$

где P — давление пара в капилляре, P0 — давление насыщенного пара, Vm — молярный объём жидкости, R — газовая постоянная, T — температура. Этот эффект критически важен для адсорбции в коллоидных системах и пористых материалах.

Заключение по ключевым принципам Капиллярные явления — фундаментальное проявление межмолекулярных сил, определяющее поведение жидкостей в узких пространствах. Их понимание позволяет прогнозировать и использовать процессы перемещения, распределения и удержания жидкости как в природных системах, так и в технологических и аналитических приложениях коллоидной химии.

Оглавление