Капиллярные явления

капиллярные явления

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ - совокупность явлений, обусловленных действием межфазного поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред; к К. я. обычно относят явления в жидкостях, вызванные искривлением их поверхности, граничащей с др. жидкостью, газом или собств. паром. К. я.- частный случай поверхностных явлений. В отсутствие силы тяжести поверхность жидкости искривлена всегда. Под воздействием поверхностного натяжения ограниченный объём жидкости стремится принять форму шара, т. е. занять объём с мин. поверхностью. Силы тяжести существенно меняют картину. Жидкость с относительно малой вязкостью быстро принимает форму сосуда, в к-рый налита, причём её свободная поверхность (не граничащая со стенками сосуда) в случае достаточно больших масс жидкости и большой площади свободной поверхности практически плоская. Однако по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения становится более существенной, чем сила тяжести. Так, напр., при дроблении жидкости в газе (или газа в жидкости) образуются капли (пузырьки) сферич. формы. Свойства систем, содержащих большое кол-во капель или пузырьков (эмульсии, жидкие аэрозоли, пены), и условия их формирования во многом определяются кривизной поверхности этих образований, то есть К. я. Большую роль К. я. играют и в зародышеобразовании при конденсации пара, кипении жидкостей, кристаллизации. Искривление поверхности жидкости может происходить также в результате её взаимодействия с поверхностью др. жидкости или твёрдого тела. В этом случае существенно наличие или отсутствиесмачивания жидкостью этой поверхности. Если имеет место смачивание, т. е. молекулы жидкости 1 (рис. 1) сильнее взаимодействуют с поверхностью твёрдого тела 3, чем с молекулами др. жидкости (или газа) 2, то под воздействием разности сил межмолекулярного взаимодействия жидкость поднимается по стенке сосуда и примыкающий к твёрдому телу участок поверхности жидкости будет искривлён. Гидростатич. давление, вызванное подъёмом уровня жидкости, уравновешивается капиллярным давлением - разностью давлений над и под искривлённой поверхностью, величина к-рого связана с локальной кривизной поверхности жидкости. Если сближать плоские стенки сосуда с жидкостью, то зоны искривления перекроются и образуется мениск - полностью искривлённая поверхность. В таком капилляре в условиях смачивания под вогнутым мениском давление понижено, жидкость поднимается; вес столба жидкости вые. h₀ уравновешивает капиллярное давление Dр. В условиях равновесия  
  
где r₁ и r₂ - плотности жидкости 1 и газа 2, s₁₂ - межфазное поверхностное натяжение, g-ускорение свободного падения, r-радиус средней кривизны поверхности мениска (¹/_r=1/R₁+1/R₂, где R₁ и R₂ - радиусы кривизны мениска в двух взаимно перпендикулярных плоскостях сечения). Для смачивающей жидкости r<0 и h₀>0. Несмачивающая жидкость образует выпуклый мениск, капиллярное давление под к-рым положительно, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня свободной поверхности жидкости (h₀<0). Радиус кривизны r связан с радиусом капилляра r_к соотношением r=-r_к/cosq, где q - краевой угол, образуемый поверхностью жидкости со стенками капилляра. Из ур-ния (1) можно получить т. н. капиллярную постоянную а - величину, характеризующую размеры системы L<а, при к-рых становятся существенными К. я.:   Для воды при темп-ре 20 °С а=0,38 см. К К. я. относятся капиллярное впитывание, появление и распространение капиллярных волн, капиллярное передвижение жидкости, капиллярная конденсация, процессы испарения и растворения при наличии искривлённой поверхности. Для капиллярного впитывания важной характеристикой является его скорость v, определяемая величиной капиллярного давления и вязким сопротивлением течению жидкости в капилляре. Скорость v изменяется со временем впитывания t, и для вертикально расположенного капилляра  
  
где h(t) - положение мениска в момент времени t (рис. 1), h - коэф. вязкости жидкости. При впитывании в горизонтальный капилляр  
  
При v>10^-3 см/с следует учитывать возможную зависимость краевого угла q от v, а в нек-рых случаях - вязкое сопротивление вытесняемого из капилляра газа (или др. жидкости). Скорость капиллярного впитывания играет существ, роль в водоснабжении растений, движении жидкости в почвах и др. пористых телах. Капиллярная пропитка - один из распространённых процессов хим. технологии. Искривление свободной поверхности жидкости под действием внеш. сил (напр., ветра, вибрации) вызывает появление и распространение капиллярных волн ("ряби" на поверхности жидкости). Самопроизвольное образование поверхностных волн - флуктуации толщины тонких слоев жидкости (струи, плёнки) - является причиной их неустойчивости по отношению к состоянию капель или капиллярного конденсата. Разность капиллярного давления, возникающая в результате разл. кривизны поверхностей менисков, может вызывать капиллярное передвижение жидкости (рис. 2).  
 

Для смачивающих  жидкостей поток жидкости направлен  к мениску с меньшим радиусом кривизны (т. е. в сторону меньшего давления). Причиной капиллярного передвижения может быть не только градиент кривизны, но и градиент поверхностного натяжения  жидкости Так, градиент темп-ры приводит к разности поверхностного натяжения  и, следовательно, к разности капиллярного давления в жидкости (термокапиллярное течение). Этим же объясняется движение капель жидкости и пузырьков газа в неравномерно нагретой среде: под  влиянием градиента поверхностного натяжения приходит в движение поверхность  пузырьков или капель. Аналогичный  эффект наблюдается и при изменении s₁₂ при адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ): ПАВ снижают s₁₂ и жидкость перемещается в том направлении, где адсорбция ПАВ на поверхности жидкости меньше (эффект Марангони - Гиббса). Искривление поверхности раздела фаз приводит к изменению величины равновесного давления пара р над ней или растворимости твёрдых тел. Так, напр., над каплями жидкости р выше, чем давление насыщ. пара p_s над плоской поверхностью жидкости при той же темп-ре Т. Соответственно растворимость с мелких частиц в окружающей среде выше, чем растворимость c_s плоской поверхности того же вещества. Эти изменения описываются Кельвина уравнением ,полученным из условия равенства хим. потенциалов в смежных фазах в состоянии термодинамич. равновесия:  
  
где V - молярный объём жидкости или твёрдого тела. Для шарообразных частиц г по абс. величиче равно их радиусу. Понижение или повышение р и с зависит, в соответствии с (4), от знака r (r>0 для выпуклых, и r<0 для вогнутых поверхностей). Так, в отличие от рассмотренного выше случая давление пара в пузырьке или над поверхностью вогнутого мениска понижено: p<p_s.  
  
Ур-ние (4) определяет направление переноса вещества (от больших значений р и с к меньшим) в процессе перехода системы к состоянию термодинамич. равновесия. Это приводит, в частности, к тому, что крупные капельки (или частицы) растут за счёт испарения (растворения) более мелких, а неровные поверхности (при условии постоянства межфазного натяжения) сглаживаются за счёт испарения (растворения) выступов и заполнения впадин. Заметные отличия давления и растворимости имеют место лишь при достаточно малых r (для воды, напр., при |r|[0,1 мкм). Поэтому ур-ние Кельвина часто используется для характеристики состояния малых объектов (коллоидные системы, тонкопористые тела, зародыши новой фазы). Капиллярная конденсация - процесс перехода пара в жидкость, заполняющую капилляры, щели или промежутки между частицами, с образованием вогнутых капиллярных менисков. Необходимое условие капиллярной конденсации - смачивание жидкостью поверхности конденсации, ей предшествует адсорбция молекул пара на поверхности. Степень заполнения капилляров или пористых тел капиллярно-конденсированной жидкостью описывается ур-нием Кельвина (подробнее см. в ст. Капиллярная конденсация ).Отрицат. капиллярное давление (Dр<0) может удерживать смачиваемые жидкостью частицы (рис. 3). Если яастицы дисперсного тела не связаны прочно, возможна его объёмная деформация под действием капиллярных сил - капиллярная контракция. Так, напр., рост капиллярного давления при высушивании может приводить к значит, усадке материалов. К. я. впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci), Б. Паскалем (В. Pascal) и Дж. Жюреном (J. Jurin) в опытах с капиллярными трубками. Теория К. я. развита в работах П. С. Лапласа (P. S. Laplace), Т. Юнга (Th. Young), И. С. Громеки и Дж. У. Гиббса (J. W. Gibbs). Лит.: Громека И. С., Собр. соч., М., 1952; Адамсон А., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., М., 1979; Современная теория капиллярности, под ред. А. И. Русанова, Ф. Ч. Гудрича, Л., 1980; Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Смачивающие пленки, М., 1984; Роулинсон Д ж., Уидом Б., Молекулярная теория капиллярности, пер. с англ., М., 1986. Н. В. Чураев.