Применение и проявление капиллярности в быту, в природе, в технике

Однажды, когда я заболела, мама решила узнать температуру моего тела и предложила мне померить её с помощью термометра. Первоначально, когда мама подала мне термометр, он показал тридцать шесть градусов. Я его встряхнула, поместила себе в подмышечную впадину и подождала некоторое время. Показания термометра на этот раз составили тридцать семь целых и две десятых градуса. Следовательно, я была больна, и мне пришлось лечиться.

Меня заинтересовала очень тонкая трубка в термометре. Я захотела узнать, как она называется, есть ли такие же тонкие трубки в природе, в технике и ещё в быту. Отгадку подсказала учитель физики. Она рассказала про капилляры и предложила мне изучить капиллярные явления.

Под капиллярными явлениями понимают подъём или опускание жидкости в узких трубках - капиллярах.

Термин «капилляр» происходит от латинского слова capillus-волос.

Капиллярные явления впервые были исследованы Леонардо да Винчи в пятнадцатом веке.

Движение жидкости в капиллярах может быть вызвано разностью капиллярных давлений, возникающей в результате различной кривизны поверхности жидкости. Поток жидкости направлен в сторону меньшего давления: для смачивающих жидкостей - к мениску с меньшим радиусом кривизны. Пониженное, в соответствие с уравнением Кельвина, давление пара над смачивающими менисками является причиной капиллярной конденсации жидкостей в тонких порах.

Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на ограничивающие жидкость стенки. Это может приводить к объемной деформации высоко дисперсных систем и пористых тел - капиллярной контракции. Так, например происходящий рост капиллярного давления приводит к усадке материалов.

Многие свойства дисперсных систем (проницаемость, прочность, поглощение жидкости) в значительной мере обусловлены капиллярными явлениями, т. к. в тонких порах этих тел реализуются высокие капиллярные давления.

Искривление поверхности жидкостей ведёт к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления ∆р, величина которого связана со средней кривизной r поверхности уравнением Лапласа.

Капиллярное давление создаётся силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведёт к появлению составляющей, направленной внутрь объёма одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела такая составляющая отсутствует и ∆р=0.

Капиллярные явления охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности жидкости под действием межмолекулярных сил и внешних сил (в первую очередь силы тяжести), в простейшем случае, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы, поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости, ограниченный объём жидкости, несоприкасающейся с другими телами. Принимает под действием поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию жидкости, поскольку преобладает минимальной поверхности при данном объеме, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна. Форму шара жидкость принимает в том случае, если она находится в другой, равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой выталкивающей силой).

При не скомпенсированной силе тяжести картина существенно меняется. Маловязкая жидкость (например, вода), взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в который она налита. Её свободная поверхность оказывается практически плоской, т. к. силы земного притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося искривить и сократить поверхность жидкости.

Однако, по мере уменьшения массы жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли или пузырьки практически сферической формы.

Свойства систем, состоящих из многих мелких капель или пузырьков (эмульсии, жидкие аэрозоли, пены), и условия их образования во многом определяются кривизной поверхности частиц, то есть капиллярными явлениями.

Не меньшую роль капиллярные явления играют при образовании новой фазы капелек жидкости при конденсации паров, пузырьков пара при кипение жидкостей, зародышей твёрдой фазы при кристаллизации.

В капиллярах изогнутую поверхность при полном смачивании и не смачивании можно принять за полусферу, радиус которой равен радиусу канала трубки r.

Вдоль границ поверхностного слоя, имеющего форму окружности, на стенки трубки действует сила поверхностного натяжения, направленная вниз. По третьему закону Ньютона такая же по модулю сила действует на жидкость со стороны стенок трубки вверх. Эта сила и заставляет жидкость подниматься. Так как длина окружности l=2πr, то эта сила равна F=σ2πr.

Поднятие жидкости в капилляре прекращается, когда сила уравновесится силой тяжести mg, действующей на поднятый столбик жидкости.

Высота поднятия смачивающей жидкости в капилляре равна

2σ h= —

Жидкость, не смачивающая стенки капилляра (например, ртуть в стеклянной трубке), опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде.

Глубина h, на которую опускается жидкость, также определяется формулой 2σ h = — .

Капиллярная дефектоскопия. Метод дефектоскопии основан на проникновении некоторых веществ в дефекты изделий под действием капиллярного давления, из-за чего искусственно повышается свето- и цветоконтрастность дефектного участка относительно неповреждённого. Для этого на поверхность изделия наносят люминесцирующее вещество, которое засасывается капиллярами в трещины и другие повреждения поверхности и делает их легко обнаружимыми. Этот метод называют люминесцентной, а иногда и световой дефектоскопией.

Капиллярная химия - устаревшее название физико-химических поверхностных явлениях, входящих, как составная часть, в современную коллоидную химию.

Капиллярная конденсация - это конденсация пара в капиллярах и микротрещинах пористых тел или в промежутках между тесно сближенными твердыми частицами. Сложная капиллярная структура пористого тела может служить причиной капиллярного гистерезиса – зависимости количества сконденсировавшейся в порах жидкости не только от давления пара, но и от предыстории процесса, то есть от того, как было достигнуто данное состояние: в процессе конденсации или же в ходе испарения жидкости.

Капиллярные волны – это волны на поверхности жидкости малой длины. В восстановлении равновесного состояния поверхности жидкости при капиллярных волнах основную роль играют силы поверхностного натяжения.

Капиллярное давление. Разность давлений по обе стороны искривлённой поверхности раздела фаз (жидкость-пар или двух жидкостей), вызванная её поверхностным (межфазным) натяжением.

Капиллярное кровообращение это движение крови в мельчайших сосудах – капиллярах, обеспечивающее обмен веществ между кровью и тканями. Капиллярное кровообращение осуществляется вследствие разности гидростатичных давлений в артериальном и венозном концах капилляра. Давление в артериальном конце равно 30-35 мм. ртутного столба, что на 8-10 мм. превышает онкотическое давление плазмы крови. Под влиянием этой разности давлений вода и многие растворенные в ней вещества ( кроме высокомолекулярных белков) переходят из плазмы крови в тканевую жидкость, приносят к тканям необходимые для жизнедеятельности вещества. По мере продвижения крови по капилляру гидростатичность давления падает и в венозном конце капилляра равна 12-17 мм. ртутного столба, что примерно на 10 мм. ниже онкотического давления крови. Вследствие этого вода и растворенные в ней вещества переходят из тканевой жидкости в плазму. Тем самым обеспечивается удаление продуктов обмена из тканей. Величина капиллярного кровообращения пропорциональна интенсивности обмена веществ. Так, в состоянии покоя, на 1 мм. поперечного сечения скелетной мышцы приходится 30-50 функционирующих капилляров; при интенсивной деятельности мышцы их количество возрастает в 50-100 раз.

1. 2. Применение и проявление капиллярности в быту, в природе и технике.

В быту используется медицинский термометр.

Кирпичные дома в своей нижней части должны быть изолированы от влаги, т. к. кирпичи - пористые тела и хорошо впитывают влагу, а это может привести к ухудшению теплоизоляционных свойств кладки и разрушению.

В природе благодаря многочисленным капиллярам в почве вода поднимается к поверхности и интенсивно испаряется. Это ведёт к потере влаги, необходимой растениям, а чтобы влага не испарялась, землю надо чаще рыхлить, то есть ломать капилляры.

В технике - капиллярные явления применяют как один из способов подвода смазки к деталям машины.

Глава 2. Практическая часть.

2. 1 Описание опытов по изучению явлений капиллярности.

I Опыт. Изучение зависимости между высотой поднятия жидкости h и диаметром капилляра d.

1 шаг: хорошо протерла от жира и пыли сосуд и капиллярные трубки.

2 шаг: налила в сосуд чистой воды из крана.

3 шаг: затем поставила в сосуд капилляр.

Общее у них всех было то, что в каждом капилляре вода поднималась выше уровня воды в сосуде.

А различались они тем, что у каждого из них был разный диаметр отверстия. И поэтому в каждом из них вода поднималась на разную высоту.

d = 7 мм 3 мм d = 5 мм 5 мм d = 3 мм 9 мм

Температура в помещении семнадцать градусов.

Вывод: Чем тоньше капилляр, тем выше высота подъема жидкости.

II Опыт. Изучение зависимости между высотой поднятия жидкости h и характером жидкости.

Вместо воды, которая хорошо смачивает стекло , я взяла жир. Жир стекло смачивает плохо.

Он не поднимается по капилляру, так как не смачивает стекло, так как во взаимодействии его молекул с молекулами стекла преобладает отталкивание. Значит, жир не будет подниматься по капилляру.

Я пыталась определить высоту опускания жира в капилляре: для этого опустила капилляр до дна сосуда и зажала верхнюю часть пальцем, затем вытащила капилляр и измерила высоту столба жидкости в капилляре. Она составила двадцать один мм. Затем измерила высоту жидкости в сосуде, она составила двадцать пять мм.

Вывод. Жидкость, не смачивающая капилляр, на поднимается по нему, а её уровень в капилляре ниже уровня в сосуде.

III Опыт. Определение зависимости между высотой поднятия жидкости h и температурой жидкости t.

Для опыта был выбран капилляр диаметром 4 мм. Измеряя высоту столба жидкости в капилляре через каждые 10 градусов при остывании жидкости, я получила следующие результаты t 300 С 400 С 500 С 600 С 700 С

h 4. 2 мм 4. 4 мм 4. 6 мм 4. 8 мм 5 мм

Если представить в виде графика

Вывод: Между высотой поднятия жидкости в капилляре и её температурой существует линейная зависимость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Не было бы счастья, да несчастье помогло: благодаря моей болезни и моей любознательности я познакомилась с очень интересными предметами – тонкими трубочками под названием «капилляры». Я изучила такие интересные явления как поднятие жидкости по капилляру выше уровня основной жидкости в сосуде и опускания жидкости по капилляру ниже уровня основной жидкости в сосуде.

Моё предположение (гипотеза) получило своё подтверждение опытным путем.

Жидкость, находящаяся в капилляре, поднимается (опускается) относительно уровня жидкости в сосуде тем больше (меньше), чем меньше диаметр капилляра и выше температура жидкости.