Капилярни явления (физика). Капилярни явления в природата

Сред процесите, които могат да бъдат обяснени с помощта на повърхностно напрежение и овлажняване на течности, заслужава да се подчертаят капилярните явления. Физиката е загадъчна и необикновена наука, без която животът на Земята би бил невъзможен. Нека да разгледаме най-яркия пример за тази важна дисциплина.

В житейската практика такива интересни от гледна точка на физичните процеси, като капилярните явления, са доста често срещани. Въпросът е, че в ежедневието сме заобиколени от много тела, които лесно абсорбират течност. Причината за това е тяхната пореста структура и елементарни закони на физиката, а резултатът е капилярно явление.

Тясна тръба

Капилярата е много тясна тръба, в която течността се държи по специален начин. Има много примери за такива съдове в природата - капилярите на кръвоносната система, порестите тела, почвата, растенията и др.

Капилярното явление е повишаването или понижаването на течности по тесните тръби. Такива процеси се наблюдават в естествените канали на хора, растения и други тела, както и в специални тесни стъклени съдове. Картината показва, че в комуникационните тръби с различна дебелина са установени различни нива на вода. Отбелязва се, че колкото по-тънък е съдът, толкова по-високо е нивото на водата.

Тези явления са в основата на абсорбиращите свойства на кърпите, храненето на растенията, движението на мастилото по ядрото и много други процеси.

Капилярни явления в природата

Описаният по-горе процес е изключително важен за поддържането на растенията. Почвата е доста хлабава, между частиците му има празнини, които са капилярна мрежа. Водата се издига по тези канали, като захранва кореновата система на растенията с влага и всички необходими вещества.

За същите капиляри течността активно се изпарява, така че е необходимо да се оре земя, която ще унищожи каналите и ще запази хранителните вещества. И обратно, притиснатата почва ще се изпари по-бързо. Това обяснява значението на обработката на почвата за задържане на подпочвените води.

При растенията капилярната система осигурява повишаване на влагата от малки корени до най-горните части и през листата се изпарява във външната среда.

Повърхностно напрежение и омокряне

В основата на въпроса за поведението на флуидите в съдовете са такива физични процеси като повърхностно напрежение и овлажняване. Капилярните явления, които се дължат на тях, се изследват в комбинация.

Под действието на силата на повърхностното напрежение, мокрещата течност в капилярите е над нивото, на което то трябва да бъде в съответствие със закона за съдовете, които комуникират. Обратно, невгряващото вещество се намира под това ниво.

По този начин водата в стъклената тръба (овлажняваща течност) се издига до по-голяма височина, по-тънката на съда. Напротив, живакът в стъклена епруветка (не-мокреща течност) се понижава по-ниската, толкова по-тънка тази способност. Освен това, както е показано на снимката, овлажняващата течност образува вдлъбната форма на менискуса, а неввлажняването - изпъкнало.

омокрящи

Това е явление, което се случва на границата, където течността влиза в контакт с твърдо вещество (друга течност, газове). Тя възниква поради специалното взаимодействие на молекулите на границата на техния контакт.

Пълно омокряне означава, че капка се разпространява по повърхността на твърдо тяло, а неввлажняване го превръща в сфера. На практика, тази или онази степен на омокряне се среща по-често, отколкото крайните варианти.

Сила на повърхностното напрежение

Повърхността на капката има сферична форма и причината за това е законът, действащ върху течността, повърхностното напрежение.

Капилярните явления се дължат на факта, че вдлъбнатата страна на течността в тръбата има тенденция да се изправи до плоско състояние поради силите на повърхностното напрежение. Това е придружено от факта, че външните частици носят телата под тях нагоре с тях и веществото се издига нагоре по тръбата. Въпреки това, течността в капиляра не може да поеме плоска форма на повърхността и този процес на повдигане продължава до определен момент на равновесие. За да изчислите височината, на която водният стълб се издига (пада), трябва да използвате формулите, които ще бъдат представени по-долу.

Изчисляване на височината на издигането на водния стълб

Моментът на спиране на издигането на вода в тясната тръба идва, когато гравитацията Р на веществото на веществото уравновесява силата на повърхностното напрежение F. Този момент определя височината на издигането на течността. Капилярните явления се дължат на две различни насочени сили:

• Тежестта на P- _{веригите} води до падане на течността;
• сила на повърхностното напрежение F движи вода нагоре.

Силата на повърхностното напрежение, действаща около периферията, където течността е в контакт със стените на тръбата, е равна на:

F = σ2πr,

където r е радиусът на тръбата.

Тежестта, действаща върху течността в тръбата, е:

P ty = ρπr2hg,

където ρ е плътността на течността; h е височината на колоната за течност в тръбата;

Така, веществото ще спре да се покачва, при условие че P е _тежък = F, което означава, че

ρπr ² hg = σ2πr,

следователно височината на флуида в тръбата е равна на:

h = 2σ / pqr.

По същия начин за течност, която не се овлажнява:

h е височината на спускане на веществото в тръбата. Както може да се види от формулите, височината, до която водата се издига в тесен съд (мивки), е обратно пропорционална на радиуса на резервоара и плътността на течността. Това се отнася за овлажняваща течност и ненамокряне. При други условия е необходимо да се направи промяна според формата на мениска, която ще бъде представена в следващата глава.

Налягане на Лаплас

Както вече беше отбелязано, течността в тесните тръби се държи така, че създава впечатление за нарушение на закона за съдовете, които комуникират. Този факт винаги съпровожда капилярните явления. Физиката обяснява това с помощта на натиск от Лаплас, който е насочен нагоре с овлажняваща течност. Поставяйки много тясна тръба във водата, наблюдаваме как течността се изтегля до определено ниво h. В съответствие със закона за съдовете, те трябваше да бъдат балансирани с външното ниво на водата.

Това несъответствие се обяснява с посоката на налягането на Лаплас p _l :

p _l = 2σ / R,

В този случай тя е насочена нагоре. Водата се изтегля в тръбата до нивото, на което се постига равновесие с хидростатично налягане p _g на водния стълб:

p _g = pqh

и ако p _l = p _g , тогава можете да уравните две части на уравнението:

2σ / R = pqh.

Сега височината h лесно се извлича като формула:

h = 2σ / pqR.

При пълно овлажняване менискусът, който образува вдлъбнатата повърхност на водата, има формата на полукълбо, където Ɵ = 0. В този случай радиусът на сферата R ще бъде равен на вътрешния радиус на капиляра r. Оттук получаваме:

h = 2σ / pqr.

А в случай на непълно омокряне, когато Ɵ ≠ 0, радиусът на сферата може да се изчисли по формулата:

R = r / cosƟ.

Тогава желаната височина, която има корекция за ъгъла, ще бъде равна на:

h = (2σ / pqr) cos .

От представените уравнения може да се види, че височината h е обратно пропорционална на вътрешния радиус на тръбата r. Водата достига максималната си височина в съдове с диаметър на човешка коса, които се наричат ​​капиляри. Както знаете, овлажняващата течност се изтегля и течността, която не се овлажнява, се избутва надолу.

Можете да проведете експеримент, като вземете съобщаващи съдове, където един от тях е широк, а другият е много тесен. След като се налива във вода, е възможно да се отбележи различно ниво на течност, а при варианта с овлажняващото вещество нивото в тясната тръба е по-високо, а при неввлажняващото - по-ниско.

Значението на капилярните явления

Без капилярни явления съществуването на живи организми е просто невъзможно. Чрез най-малките съдове човешкото тяло получава кислород и хранителни вещества. Корените на растенията - мрежа от капиляри, която издърпва влагата от земята, като я довежда до горните листа.

Обикновено почистването на домакинството е невъзможно без капилярни явления, тъй като по този принцип тъканта абсорбира вода. На тази основа работят кърпа, мастило, фитил в маслената лампа и различни устройства. Капилярните явления в технологията играят важна роля в изсушаването на порести тела и други процеси.

Понякога същите тези явления водят до нежелани последици, например порите на тухла абсорбират влагата. За да се избегне влагата на сгради под влияние на подпочвените води, трябва да се защити основата с хидроизолационни материали - битум, покривен филм или покривна хартия.

Потапящите се дрехи в дъжда, например, панталони до коленете от ходене през локви също се дължат на капилярни явления. Има много примери за това природно явление около нас.

Експериментирайте с цветя

Примери за капилярни явления могат да бъдат открити в природата, особено когато става въпрос за растения. В техните куфари има много малки съдове вътре. Можете да проведете експеримент с оцветяване с цвете във всеки ярък цвят в резултат на капилярни явления.

Трябва да вземете ярко оцветена вода и бяло цвете (или пекинско зеле, стрък от целина) и да я сложите в чаша с тази течност. След известно време върху листата на Пекинското зеле може да се види, че боята се движи нагоре. Цветът на растението постепенно ще се променя съответно на боята, в която е поставена. Това се дължи на движението на веществото по стъблата съгласно законите, които сме разглеждали в тази статия.