Заняття № 2 Тема: Явище змочування. Капілярність.
МЕТА: - ОЗНАЙОМИТИСЬ З ЯВИЩАМИ ЗМОЧУВАННЯ ТА КАПІЛЯРНОСТІ; - З’ЯСУВАТИ ЗАСТОСУВАННЯ ДАНИХ ЯВИЩ У ПРИРОДІ І ТЕХНІЦІ. ПЛАН ЗАНЯТТЯ: 1. Явище змочування рідинами поверхні твердих тіл. 2. Лапласівський тиск. 3. Капілярність. 4. Застосування змочування і капілярності в природі і техніці.
ПРОБЛЕМНІ ПИТАННЯ: 1. Ви, мабуть, чули, про так званий “сухий полив”, тобто коли між рядами посівів намагаються якнайчастіше розпушувати ґрунт, руйнуючи тим самим кірку, що утворюється. Цікаво, звідки пішла ця назва? 2. Якщо покласти шматок крейди на вологу губку, він просочиться водою. Чому це відбувається? 3. Чому розтікається чорнило на папері поганої якості? 4. Чи можна набрати воду в сито? 5. Мабуть кожен з вас стикався з проблемою жирних плям. Чи легко їх позбутися? Деяку інформацію ви знаєте з життєвого досвіду, однак, пояснити суть даних явищ з точки зору фізики поки що не можете. Саме тому, під час сьогоднішнього вебінарного заняття ми поглибимо рівень ваших знань з теми та пояснимо фізичний зміст явищ змочування і капілярності з точки зору фізики.
Викривлена поверхня рідини у вузьких циліндричних трубках або біля стінок посудини називають меніском Якщо рідина змочує поверхню твердого тіла, то вона піднімається біля стінок посудини Меніск вогнутий Рис. 1 - Вода (Рис. 1) Якщо рідина не змочує поверхню твердого тіла, то вона опускається біля стінок посудини Меніск випуклий Рис. 2 - Ртуть (Рис. 2)
МІРОЮ ЗМОЧУВАНОСТІ ТВЕРДОЇ ПОВЕРХНІ Є КРАЙОВИЙ КУТ – КУТ, УТВОРЕНИЙ ПОВЕРХНЕЮ РОЗДІЛУ ДВОХ ФАЗ ІЗ ПОВЕРХНЕЮ ТРЕТЬОЇ - Якщо крайовий кут гострий, то рідина змочує тверду поверхню - Якщо крайовий кут тупий, то рідина не змочує тверду поверхню
ВИСНОВОК: ЯВИЩЕ ЗМОЧУВАННЯ І НЕ ЗМОЧУВАННЯ РІДИНОЮ СТІНОК ПОСУДИНИ ВПЛИВАЄ НА ФОРМУ ВІЛЬНОЇ ПОВЕРХНІ РІДИНИ У ПОСУДИНІ Викривлена поверхня рідини утворює додатковий тиск на рідину у порівнянні із тиском під плоскою поверхнею. За увігнутого меніску: тиск під плоскою поверхнею S стає меншим на величину додаткового тиску РМ За випуклого меніску: додатковий тиск РМ збільшує тиск, який існує під плоскою поверхнею рідини, в тому числі, і атмосферний тиск на вільну поверхню рідини
ІІ. ЛАПЛАСІВСЬКИЙ ТИСК Додатковий тиск для сферичної поверхні рідини розраховується так: (1) σ - коефіцієнт поверхневого натягу рідини; [σ]=[H/м] R - радіус сферичної поверхні рідини; [R]=[м]
ІІІ. КАПІЛЯРНІСТЬ Додатковий тиск, що виникає під меніском істотно впливає на рівень рідини в капілярі, сполученому з широкою посудиною з рідиною. Капіляри (від лат. слова “капілліус“ – волосина) - вузькі циліндричні трубки з діаметром близько міліметра й меншим. Рис. 3 - Капіляри
Капілярність – явище підняття (опускання) рідини в капілярах 1 – широка посудина; 2 – капіляр з d=2 мм; 3 – капіляр з d=1 мм; 4 – підставка для трубок При змочуванні рідина в капілярі встановлюється вище від рівня рідини у широкій посудині, а висота підняття рідини являється найбільшою у капілярі з меншим радіусом.
Коли має місце явище незмочування, то рідина в капілярах установлюється нижче рівня рідини в широкій трубці, а зниження рівня рідини являється найбільшим у капілярі з меншим радіусом. 1 – широка посудина; 2 – капіляр з d=2 мм; 3 – капіляр з d=1 мм; 4 – підставка для трубок Рис 4. Залежність висоти стовпчика рідини в капілярі від його діаметра (для незмочуючої рідини)
Закон Жюрена: висота підняття рідини у капілярі пропорційна коефіцієнту поверхневого натягу рідини й обернено пропорційна радіусу капіляра і густині рідини. (2) Отже, σ - коефіцієнт поверхневого натягу рідини; [σ]=[H/м] r - радіус капіляра; [r]=[м]
Застосування закону Жюрена: застосовується й до капілярної трубки зі незмочуючою рідиною, однак у даному випадку вираховується не висота підняття рідини, а вже зниження її рівня. можна застосовувати для визначення коефіцієнту поверхневого натягу. Необхідно тільки точно виміряти висоту підняття h й радіус капіляра r. Це один із найбільш поширених методів для визначення коефіцієнту поверхневого натягу будьякої рідини.
IV. Застосування змочування і капілярності у природі і техніці 1) явище змочування використовують у процесах: - паяння, - склеювання, - змащення тертьових поверхонь, - фарбування тіл, - флотаційних процесах
2) При механічній обробці металів, буріння свердловин у гірських породах змочують їх спеціальними рідинами, що полегшує і прискорює їх обробку 3) При конструюванні космічних апаратів
4) Явище капілярності враховується у будівельній практиці 5) На капілярних явищах ґрунтуються прийоми регулювання водного режиму ґрунту – боронування, лункування, комбінована оранка тощо
6) Явище капілярності використовується у побуті при застосуванні гігроскопічної вати, промокального паперу, рушників, серветок
ВИСНОВКИ ЗАНЯТТЯ - Якщо рідина змочує поверхню твердого тіла, то вона розтікається по її поверхні або піднімається біля стінок посудини (крайовий кут – гострий). - Якщо рідина не змочує поверхню твердого тіла, то вона не розтікається по її поверхні або опускається біля стінок посудини (крайовий кут – тупий). - Якщо рідина змочує поверхню капіляра, то додатковий тиск – від’ємний, і навпаки. - Додатковий тиск, висота підняття (опускання) рідини в капілярі залежать від роду рідини і радіусу капіляра. - Явища змочування і капілярності отримали велике практичне значення у техніці, промисловості, сільському господарстві, космічній галузі, побуті тощо.
ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ І. Дати у зошиті відповіді на запитання: 1. 1 Як пояснюється явище змочування рідинами поверхні твердих тіл? Яку форму при цьому має вільна поверхня рідини? 1. 2. Що таке крайовий кут? (Виконати пояснювальний рисунок). 1. 3. Де спостерігається у природі і застосовується у техніці явище змочування? 1. 4. Що таке лапласівський тиск? (Вказати позначення, формулу і одиниці вимірювання в системі СІ). 1. 5. Що таке явище капілярності і де воно застосовується? 1. 6. Від чого залежить висота підняття (опускання) рідини в капілярі? (Записати формулу та проаналізувати її) ІІ. Розв’язати у зошиті задачі: 2. 1. Який діаметр повинна мати мильна бульбашка, щоб додатковий (лапласівський) тиск на її поверхні дорівнював 200 Па? 2. 2 Визначити діаметри каналів трьох капілярних трубок, якщо відомо, що вода при 293 К піднімається у них на висоту відповідно 2, 5 см, 8 см.