"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Вода растекается по чистому стеклу, а ртуть собирается на нём в капли: жидкости по-разному взаимодействуют с твёрдыми телами. От этого зависит, смачивает ли жидкость поверхность и поднимется ли она в узкой трубке или, наоборот, опустится. Такое изменение уровня называют капиллярностью. Оно заметно в тонких трубках и порах, поэтому помогает объяснить движение воды в почве, тканях и стеблях растений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Смачивание — явление, при котором жидкость растекается по поверхности твёрдого тела. Например, капля воды на чистом стекле расплывается и покрывает часть поверхности. По этому поведению можно понять, что вода смачивает стекло. Само слово помогает отличить растекающуюся жидкость от той, которая собирается в отдельные капли.
Несмачивание — явление, при котором жидкость не растекается по поверхности, а собирается в капли. Так ведёт себя ртуть на стекле: она сохраняет форму округлых капель. Это понятие нужно, чтобы описать случаи, когда жидкость не образует сплошной слой на твёрдом теле. Смачивание и несмачивание зависят от того, какие именно вещества соприкасаются.
Капилляр — очень узкая трубка или канал, в котором заметно меняется уровень жидкости. Примером может служить тонкая стеклянная трубка. Чем она уже, тем сильнее проявляется влияние её стенок на жидкость. Понятие «капилляр» применяют и к похожим узким промежуткам в порах и волокнах.
Капиллярность — изменение уровня жидкости в узких трубках и порах: она может подняться или опуститься относительно уровня в широком сосуде. Это определение охватывает оба направления, а не только подъём. Оно помогает описывать поведение разных жидкостей в капиллярах. Например, вода и ртуть в стеклянной трубке изменяют уровень по-разному.
Молекулы жидкости притягиваются друг к другу, а молекулы у поверхности взаимодействуют ещё и с молекулами твёрдого тела. Вода растекается по чистому стеклу, потому что притяжение между водой и стеклом помогает ей удерживаться на поверхности и расширять пятно контакта. У ртути на стекле заметнее притяжение её молекул друг к другу: жидкость стремится собраться в каплю, а не покрыть стекло. Поэтому смачивание определяется не одной жидкостью, а сочетанием жидкости и материала поверхности.
У смачивающей жидкости край у стенки поднимается, и свободная поверхность становится вогнутой. Это связано с тем, что жидкость стремится соприкоснуться со стенкой, поэтому её край оказывается выше середины. При несмачивании жидкость не стремится растекаться по стенке: у края она опускается, а поверхность становится выпуклой. Так форма поверхности показывает, как взаимодействуют жидкость и твёрдое тело.
В широкой ёмкости влияние стенок заметно главным образом возле краёв, а большая часть поверхности находится далеко от них. В узком капилляре стенки близки друг к другу, поэтому они воздействуют на значительную часть жидкости. Из-за этого изменение уровня в трубке заметнее, чем в широком сосуде. Чем уже капилляр, тем сильнее проявляется подъём смачивающей жидкости или опускание несмачивающей.
Вода смачивает стекло, поэтому в стеклянном капилляре она поднимается относительно уровня в широком сосуде. Её поверхность у стенок вогнута: края поднимаются, а середина оказывается ниже. Ртуть, напротив, не смачивает стекло, поэтому в трубке её уровень опускается. У стенок поверхность ртути выпуклая, что соответствует её стремлению собраться вместе, а не растечься по стеклу.
В природе и быту узкие промежутки работают как множество капилляров. Вода может проникать в поры почвы, распространяться между волокнами ткани и перемещаться по тонким каналам растений. Чем меньше такие промежутки, тем заметнее капиллярный эффект, если жидкость смачивает их стенки. Поэтому капиллярность помогает объяснить движение воды там, где нет широких труб или открытых сосудов.
| Свойство | Смачивание | Несмачивание |
|---|---|---|
| Пример пары «жидкость — твёрдое тело» | Вода — чистое стекло | Ртуть — стекло |
| Форма поверхности у стенок | Вогнутая | Выпуклая |
| Положение уровня в капилляре относительно широкого сосуда | Уровень поднимается | Уровень опускается |
| Пример проявления | Вода в стеклянном капилляре | Ртуть в стеклянном капилляре |
Сначала найдите в таблице нужную пару жидкости и твёрдого тела: результат может измениться, если заменить один из материалов. Затем сравните форму поверхности у стенок и положение уровня в трубке. Эти признаки связаны: вогнутая поверхность соответствует смачиванию и подъёму, выпуклая — несмачиванию и опусканию.
Вода растекается по чистому стеклу, а ртуть на стекле собирается в капли. Определите, какая жидкость смачивает стекло. В условии уже описано поведение обеих жидкостей, поэтому дополнительных вычислений не требуется. Нужно сопоставить наблюдения с определениями.
Смачивание — это растекание жидкости по поверхности твёрдого тела. Вода растекается, значит, она смачивает чистое стекло. Ртуть собирается в капли, поэтому стекло она не смачивает.
Ответ: стекло смачивает вода; ртуть стекло не смачивает.
Вода находится в двух стеклянных капиллярах разной толщины. Нужно определить, в каком из них она поднимется выше. Оба капилляра сделаны из одного материала и заполнены одной и той же жидкостью. Поэтому направление изменения уровня одинаково, а сравнить нужно выраженность эффекта.
Вода смачивает стекло, следовательно, в обоих капиллярах уровень поднимется относительно широкого сосуда. Капиллярность заметнее, когда стенки находятся ближе и сильнее влияют на жидкость. Значит, более высокий подъём будет в более узкой трубке.
Ответ: вода выше поднимется в более узком капилляре.
В узких стеклянных трубках находятся вода и ртуть. Опишите, как изменится уровень каждой жидкости относительно уровня в широком сосуде и какой будет поверхность у стенок. Здесь важно сначала определить, какая жидкость смачивает стекло, а какая — нет. После этого можно установить направление изменения уровня и форму поверхности.
Вода смачивает стекло, поэтому у стенок она поднимется, а поверхность будет вогнутой. Ртуть не смачивает стекло, поэтому возле стенок её уровень опустится, а поверхность будет выпуклой. Это разные проявления взаимодействия каждой жидкости со стеклом.
Ответ: вода поднимается и образует вогнутую поверхность; ртуть опускается и образует выпуклую.
Ошибка — считать, что любая жидкость смачивает любое твёрдое тело. Так думают, если судят только по свойствам жидкости и забывают о материале поверхности. Проверка: всегда называйте пару веществ, например «вода — стекло» или «ртуть — стекло». При замене одного из материалов поведение может оказаться другим.
Подъём в капилляре иногда принимают за то же самое, что растекание по поверхности. Эти явления связаны, но описывают разные наблюдения: одно касается движения жидкости вдоль стенок узкой трубки, другое — её поведения на поверхности тела. Проверка: отдельно спросите себя, что именно наблюдается — расширение пятна или изменение уровня в трубке. Не подменяйте один признак другим.
Ошибка — полагать, что уровень в любом капилляре обязательно поднимается. Подъём происходит у смачивающей жидкости, а несмачивающая жидкость, например ртуть в стекле, опускается у стенок. Проверка: прежде чем назвать направление, выясните, смачивает ли данная жидкость материал трубки. Затем свяжите ответ с формой поверхности: вогнутой или выпуклой.
Некоторые считают, что в широкой трубке капиллярный эффект сильнее. Это может казаться правдоподобным из-за большего количества жидкости, но важна не её масса, а влияние стенок. Проверка: представьте, насколько близко стенки подходят к жидкости; в узком капилляре их воздействие заметнее. Поэтому подъём или опускание сильнее именно в более узкой трубке.
Для объяснения смачивания пригодятся знания о строении вещества и притяжении молекул: жидкости взаимодействуют и между собой, и с твёрдым телом. Тема также связана с поверхностным натяжением — оно помогает понять, почему поверхность жидкости у стенки принимает вогнутую или выпуклую форму. Капиллярность встречается в почве, тканях и стеблях растений, где вода движется по узким порам и каналам. Эти примеры связывают физические свойства жидкостей с наблюдениями в природе и быту.
Почему вода поднимается по тонкой стеклянной трубке?
Вода смачивает стекло: притяжение между водой и стенками помогает ей подниматься вдоль них. В узкой трубке влияние стенок заметно, поэтому уровень воды становится выше, чем в широком сосуде.
Почему ртуть в стеклянном капилляре не поднимается, а опускается?
Ртуть не смачивает стекло, потому что её молекулы сильнее притягиваются друг к другу, чем к стеклу. Поэтому у стенок уровень опускается, а поверхность ртути становится выпуклой.
Как определить, смачивает ли жидкость поверхность?
Посмотрите, растекается ли жидкость по поверхности или собирается в капли. Растекание означает смачивание, а собирание в капли — несмачивание.
Почему в более узком капилляре изменение уровня заметнее?
В узкой трубке стенки расположены близко друг к другу, поэтому их влияние на жидкость проявляется сильнее. Из-за этого смачивающая жидкость поднимается выше, а несмачивающая опускается ниже.
Где капиллярность встречается в природе и быту?
Вода перемещается по узким порам почвы и волокнам тканей благодаря капиллярности. По похожему принципу она может подниматься по тонким каналам внутри растений.
§ 29. Смачивание и капиллярность
