§ 20. Смачивание тела жидкостью

Определения и обозначения

Смачивание — растекание жидкости по поверхности твёрдого тела, если притяжение между жидкостью и телом сильнее притяжения между молекулами жидкости. Поэтому капля становится более плоской и занимает большую площадь. Это определение помогает объяснить, почему вода впитывается в бумагу и ткань.

Несмачивание — явление, при котором жидкость не растекается по поверхности тела, а собирается в каплю. Её молекулы сильнее притягиваются друг к другу, чем к частицам поверхности. По округлой выпуклой капле можно заметить, что жидкость плохо взаимодействует с телом.

Краевой угол — угол между поверхностью твёрдого тела и касательной к поверхности жидкости у линии их соприкосновения. Его величина связана с формой капли и мениска. По краевому углу судят, смачивает ли жидкость данное тело.

Капиллярность — изменение уровня жидкости в узких трубках и малых промежутках. Оно возникает благодаря совместному действию смачивания и поверхностного натяжения. Капиллярность объясняет подъём воды в тонких порах почвы, бумаге и фитиле.

Как это устроено

Результат определяется сравнением двух видов притяжения: между молекулами жидкости и между жидкостью и твёрдым телом. Если второе притяжение сильнее, молекулы у поверхности стремятся приблизиться к телу. Поэтому жидкость расползается по нему, а не удерживается в компактной капле.

При смачивании поверхность жидкости около стенки изгибается внутрь, то есть образует вогнутую форму. Молекулы у стенки притягиваются к материалу сильнее, чем к соседним молекулам жидкости. Поверхностное натяжение распределяет это воздействие по поверхности, и жидкость растекается вдоль тела.

При несмачивании молекулы жидкости сильнее удерживают друг друга, чем притягиваются к телу. Поверхностное натяжение стремится уменьшить площадь поверхности капли, поэтому она принимает округлую выпуклую форму. Так жидкость уменьшает и площадь соприкосновения с твёрдым телом.

Форма поверхности у стенки зависит от того, какое притяжение преобладает. В узкой трубке смачивающая жидкость поднимается по стенкам, и её поверхность получается вогнутой. Несмачивающая жидкость образует выпуклый мениск и опускается у стенок.

В почве, бумаге и ткани есть очень узкие поры, похожие на множество капилляров. Вода смачивает волокна и стенки пор, а поверхностное натяжение протягивает её дальше. По такому же принципу жидкость поднимается по фитилю, подавая топливо к пламени.

Смачивание и несмачивание жидкости

Таблицу удобно использовать как алгоритм сравнения двух случаев. Сначала определите, какие силы притяжения сильнее, затем проверьте форму капли или мениска. После этого можно предсказать, поднимется жидкость в капилляре или опустится.

Разбор задач

Задача 1. Вода и ртуть на стекле

Условие: объясните, почему вода растекается по чистому стеклу, а капля ртути сохраняет выпуклую форму. Нужно определить вид взаимодействия каждой жидкости со стеклом.

1. У воды притяжение к частицам чистого стекла сильнее, чем притяжение между её молекулами.
2. Поэтому вода смачивает стекло, растекается по нему и образует более плоскую каплю.
3. У ртути сильнее притяжение между собственными молекулами, чем к стеклу.
4. Ртуть не смачивает стекло, поэтому поверхностное натяжение удерживает её в выпуклой форме.

Ответ: вода смачивает чистое стекло, а ртуть его не смачивает. Разница объясняется не размером капель, а различием межмолекулярных сил.

Задача 2. Мениск в тонкой трубке

Условие: в тонкой стеклянной трубке поверхность жидкости у стенок вогнута. Определите, смачивает ли жидкость стекло.

1. Вспоминаем связь формы мениска с видом смачивания: вогнутый мениск соответствует смачиванию.
2. Вогнутость возникает потому, что жидкость притягивается к стеклу сильнее, чем её молекулы друг к другу.
3. Следовательно, жидкость поднимается по стенкам трубки и образует вогнутую поверхность.

Ответ: жидкость смачивает стекло. Если бы мениск был выпуклым, это указывало бы на несмачивание.

Задача 3. Полотенце и ртуть в капилляре

Условие: вода поднимается по бумажному полотенцу или фитилю, а ртуть в узком капилляре понижается. Объясните оба наблюдения.

1. Бумага и фитиль имеют множество узких промежутков, а вода смачивает их волокна.
2. Поверхностное натяжение перемещает воду по этим капиллярам вверх, поэтому полотенце впитывает влагу.
3. Ртуть не смачивает стенки стеклянного капилляра и образует выпуклый мениск.
4. Поэтому у стенок ртуть опускается, а общий уровень в капилляре становится ниже.

Ответ: направление движения в капилляре зависит от смачивания. Вода поднимается по смачиваемым порам, а ртуть опускается в несмачиваемом капилляре.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любая жидкость смачивает любое твёрдое тело. Её допускают, когда переносят свойство воды на все материалы. Проверяйте себя так: всегда рассматривайте конкретную пару «жидкость — тело».

Ошибка: путать смачивание с растеканием из-за наклона поверхности. Наклон может заставить жидкость двигаться, но причиной смачивания является межмолекулярное притяжение. Спросите себя, растекалась бы капля на горизонтальной поверхности.

Ошибка: называть вогнутую поверхность признаком несмачивания. На самом деле вогнутый мениск получается при смачивании, а выпуклый — при несмачивании. Полезно связать это с правилом: смачивающая жидкость поднимается у стенок.

Ошибка: связывать капиллярность только с узостью трубки. Узкий промежуток необходим, но направление движения определяется ещё и видом смачивания. Если жидкость смачивает стенки, ожидайте подъём, если нет — опускание.

Связь с другими темами

Для понимания смачивания нужны знания о строении вещества, взаимодействии молекул и поверхностном натяжении. Именно этими силами объясняются форма капли, мениск и движение жидкости у стенок.

Дальше тема помогает изучать капиллярные явления, движение воды в растениях и действие фитилей. Она также используется для объяснения работы тканей, бумаги, почвы и других пористых материалов.

Что запомнить

• Смачивание возникает, когда жидкость сильнее притягивается к твёрдому телу, чем к своим молекулам.
• При смачивании жидкость растекается по поверхности тела.
• При несмачивании жидкость собирается в выпуклую каплю.
• При смачивании мениск в капилляре вогнутый.
• При несмачивании мениск выпуклый.
• Подъём или опускание жидкости в капилляре зависит от вида смачивания.
• Смачивание объясняет распространение жидкостей в узких порах и промежутках.