"Физика", Изергин Э.Т.
Капиллярность — это изменение уровня жидкости в очень узких трубках и каналах. Она возникает из-за взаимодействия жидкости со стенками и поверхностного натяжения. При смачивании жидкость поднимается и образует вогнутый мениск, а при несмачивании опускается и образует выпуклый. Чем меньше радиус капилляра, тем сильнее эффект. Капиллярность объясняет движение воды в растениях, влаги в почве и жидкости по фитилю.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Капиллярность — изменение уровня жидкости в узких трубках и других тонких каналах по сравнению с уровнем в широком сосуде. Жидкость может подняться выше или опуститься ниже этого уровня. Это понятие помогает описывать поведение воды, масла и других жидкостей в тонких порах.
Капилляр — очень узкая трубка или канал, в котором заметно проявляются капиллярные явления. Чем меньше его радиус, тем сильнее влияние стенок на жидкость. Капиллярами можно считать поры почвы, волокна бумаги и тонкие каналы внутри растений.
Смачивание — явление, при котором жидкость растекается по поверхности твёрдого тела и прилипает к ней. Оно показывает, что притяжение между молекулами жидкости и стенки достаточно велико. Знание о смачивании позволяет определить, поднимется жидкость в капилляре или нет.
Мениск — искривлённая свободная поверхность жидкости у стенок сосуда или капилляра. При смачивании мениск обычно вогнутый, а при несмачивании — выпуклый. По его форме можно судить о взаимодействии жидкости со стенками.
В широком сосуде действие стенок заметно только в тонком слое жидкости около них, а основная масса почти не зависит от стенок. В капилляре расстояние между стенками мало, поэтому большая часть жидкости находится рядом с твёрдой поверхностью. Из-за этого притяжение молекул жидкости к стенкам становится сравнимым с действием силы тяжести.
Если жидкость смачивает стенки, её молекулы притягиваются к твёрдому телу и растекаются по нему. Поверхностное натяжение стремится уменьшить площадь поверхности жидкости, но у стенок поверхность изгибается и как бы тянет соседние слои вверх. Подъём продолжается до тех пор, пока вес поднявшейся жидкости не уравновесит действие поверхностного натяжения.
При смачивании края жидкости у стенок оказываются выше, чем её середина. Поэтому свободная поверхность прогибается вниз к центру и становится вогнутым мениском. Такая форма показывает, что жидкость стремится увеличить площадь контакта со стенками и подняться по ним.
Если жидкость не смачивает материал, её молекулы сильнее притягиваются друг к другу, чем к стенкам. Поверхность у стенок опускается, а середина остаётся выше, поэтому образуется выпуклый мениск. В узком капилляре общий уровень жидкости становится ниже уровня в широком сосуде.
Высота подъёма или опускания тем больше, чем меньше радиус капилляра: у узкой трубки действие стенок приходится на меньший объём жидкости. На результат также влияют свойства жидкости, материал стенок и сила поверхностного натяжения. Поэтому одна и та же жидкость в разных капиллярах изменяет уровень по-разному, а разные жидкости в одной трубке могут вести себя неодинаково.
| Условия | Форма мениска | Изменение уровня жидкости | Пример |
|---|---|---|---|
| Жидкость смачивает стенки | Вогнутый | Уровень повышается | Вода в стеклянном капилляре |
| Жидкость не смачивает стенки | Выпуклый | Уровень понижается | Ртуть в стеклянном капилляре |
| Чем уже капилляр, тем сильнее эффект | Вогнутый или выпуклый | Подъём или опускание больше | Тонкие поры почвы |
| Капиллярные явления в почве и растениях | Зависит от жидкости и стенок | Вода перемещается по узким каналам | Поступление воды к верхним частям растения |
| Перемещение жидкости по фитилю и промокание бумаги | Зависит от материала | Жидкость распространяется по порам | Фитиль лампы и впитывание воды бумагой |
Сначала определите, смачивает ли жидкость материал стенок, а затем найдите форму мениска и направление изменения уровня. Для сравнения капилляров смотрите на их радиусы: меньший радиус означает более сильный эффект. Последние строки показывают, как общие закономерности проявляются в природе и в быту.
Условие. Определите, поднимется или опустится вода в стеклянном капилляре, и укажите форму мениска.
Ответ. Вода поднимется в стеклянном капилляре, а её мениск будет вогнутым.
Условие. Одной и той же смачивающей жидкости налили в два капилляра. Радиус одного капилляра в два раза меньше радиуса другого. Сравните высоты подъёма жидкости.
Ответ. В более узком капилляре подъём будет больше. Для точного вычисления нужна формула с учётом свойств жидкости, но для сравнения достаточно знать обратную зависимость высоты от радиуса.
Условие. Объясните, почему вода поднимается от корней к верхним частям растения, а масло перемещается по фитилю лампы.
Ответ. В обоих случаях движение поддерживается смачиванием и капиллярностью в сети тонких каналов.
Ошибка: считать, что капиллярность вызывается только силой тяжести. Силы тяжести направлены вниз и препятствуют подъёму, а направление движения задают взаимодействие со стенками и поверхностное натяжение. Проверьте себя: объясните, почему при несмачивании жидкость опускается, хотя сила тяжести остаётся той же.
Ошибка: путать смачивание и несмачивание. При смачивании уровень повышается и мениск вогнутый, а при несмачивании уровень понижается и мениск выпуклый. Для проверки рассмотрите край жидкости у стенки и сравните его с серединой поверхности.
Ошибка: утверждать, что в любом капилляре жидкость поднимается. Направление зависит от материала стенок и свойств жидкости: одна пара материалов вызывает подъём, другая — опускание. Сначала всегда определяйте, происходит ли смачивание.
Ошибка: считать высоту одинаковой для трубок разного диаметра. В более узком капилляре стенки сильнее влияют на сравнительно малый объём жидкости, поэтому подъём или опускание больше. Сравните радиусы трубок перед тем, как делать вывод о высоте уровня.
Для понимания капиллярности нужны знания о силе тяжести, давлении жидкости, поверхностном натяжении и взаимодействии молекул. Сила тяжести объясняет, почему поднявшаяся жидкость не может расти бесконечно, а поверхностное натяжение участвует в её перемещении.
Капиллярность связывает физику с биологией и географией: она объясняет поступление воды в растения и движение влаги в почве. Узкие каналы проводят жидкость благодаря смачиванию стенок и поверхностному натяжению.
В быту это явление используют в фитилях, фильтрах и пористых материалах. Оно помогает понять, почему бумага промокает, ткань впитывает воду, а масло поднимается по фитилю лампы.
Почему вода поднимается по тонкой трубке, хотя сила тяжести направлена вниз?
Вода смачивает стекло, поэтому притягивается к стенкам капилляра и поднимается по ним. Поверхностное натяжение помогает перемещать воду вверх, пока сила тяжести не уравновесит это действие.
Почему в одном капилляре жидкость поднимается, а в другом опускается?
Направление зависит от того, смачивает ли жидкость материал стенок. При смачивании уровень повышается, а при несмачивании жидкость опускается ниже уровня в широком сосуде.
Как определить, смачивает ли жидкость материал стенок?
Нужно наблюдать, как жидкость располагается у стенки. Если она растекается по поверхности и край жидкости у стенки выше середины, происходит смачивание; если собирается в каплю и край ниже середины, смачивания нет.
Почему в более узком капилляре жидкость поднимается выше?
В узкой трубке доля поверхности стенок по сравнению с объёмом жидкости больше. Поэтому взаимодействие со стенками и действие поверхностного натяжения заметнее, а равновесие устанавливается на большей высоте.
Где капиллярность встречается в природе и в быту?
Она помогает воде перемещаться от корней к верхним частям растений и распространяться в почве. В быту капиллярность проявляется при работе фитиля, промокании бумаги и впитывании жидкости пористыми материалами.
§ 21. Капиллярность
