"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Смачивание объясняет, почему одни жидкости растекаются по твёрдой поверхности, а другие собираются в капли. В узких трубках и каналах взаимодействие жидкости со стенками приводит к капиллярным явлениям: смачивающая жидкость поднимается, а несмачивающая опускается. Чем уже капилляр, тем заметнее изменение уровня. Эти явления помогают понять, как вода движется в почве и растениях и почему ткань или бумага впитывают жидкость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Смачивание — растекание жидкости по поверхности твёрдого тела с образованием большой площади контакта. Оно возникает, когда притяжение молекул жидкости к частицам тела достаточно велико по сравнению с притяжением молекул жидкости друг к другу. Это понятие помогает объяснить, почему вода растекается по чистому стеклу.
Несмачивание — слабое соприкосновение жидкости с твёрдым телом, при котором жидкость собирается в каплю. Так бывает, если молекулы жидкости сильнее притягиваются друг к другу, чем к поверхности тела. Это понятие нужно, чтобы объяснить, например, поведение ртути на стекле.
Капилляр — узкая трубка или канал, в котором уровень жидкости заметно отличается от уровня в широком сосуде. Канал может быть настолько тонким, что его стенки сильно влияют на поведение жидкости внутри. Понятие капилляра помогает описывать действие узких промежутков в материалах и тканях.
Капиллярные явления — подъём или опускание жидкости в узких трубках и других узких пространствах. Их направление зависит от того, смачивает ли жидкость стенки. Это понятие позволяет связать поведение жидкости в лабораторной трубке с её движением в почве, растениях или бумаге.
Молекулы жидкости притягиваются и друг к другу, и к частицам твёрдой поверхности. Если притяжение к поверхности сильнее, жидкости энергетически выгоднее соприкасаться с ней на большей площади, и она растекается. Если сильнее притяжение внутри жидкости, ей выгоднее сохранить соседство своих молекул и уменьшить площадь контакта с телом. Поэтому нельзя сказать, что любая жидкость смачивает любое твёрдое тело: результат зависит от конкретной пары материалов.
Разница взаимодействий заметна по форме капли. При смачивании жидкость распластывается, потому что расширяет контакт с поверхностью; капля становится более плоской. При несмачивании жидкость стремится сократить контакт, поэтому образует округлую, выпуклую каплю. Это не отдельное свойство одной жидкости: одна и та же жидкость может вести себя по-разному на разных поверхностях.
В капилляре важны взаимодействие жидкости со стенками и малая ширина канала. Смачивающая жидкость притягивается к стенкам и поднимается вдоль них; поверхность жидкости у стенок изгибается, и уровень в трубке становится выше, чем в широком сосуде. У несмачивающей жидкости взаимодействие со стенками не способствует подъёму: её уровень в капилляре оказывается ниже окружающего уровня. Так направление изменения определяется смачиванием, а не тем, что жидкость сама по себе всегда движется вверх.
Чем уже капилляр, тем заметнее подъём смачивающей жидкости или опускание несмачивающей. В тонком канале влияние стенок становится значительным по сравнению с количеством жидкости внутри. Поэтому одинаковая жидкость в более узкой трубке изменяет уровень сильнее, чем в широкой. Речь идёт о сравнении капилляров: эффект не означает, что жидкость в любой трубке поднимется на одну и ту же высоту.
Капиллярные явления встречаются в природных и бытовых материалах, где есть узкие каналы или промежутки. Вода перемещается между частицами почвы, а в растениях проходит по тонким проводящим путям. Бумага и ткань впитывают пролитую жидкость, потому что она распространяется по множеству мелких промежутков между волокнами. В каждом случае направление и возможность движения зависят от взаимодействия жидкости с материалом.
Сравните признаки в таблице: сначала определите, какие взаимодействия сильнее, а затем свяжите это с формой капли и поведением в капилляре. Примеры относятся к указанным сочетаниям материалов, а не ко всем жидкостям или поверхностям. Таблица помогает предсказать изменение уровня без запоминания отдельных случаев.
| Свойство | Смачивание | Несмачивание |
|---|---|---|
| Соотношение притяжения жидкости к твёрдому телу и притяжения внутри жидкости | Притяжение к твёрдому телу сильнее | Притяжение внутри жидкости сильнее |
| Форма капли на поверхности | Капля растекается, становится более плоской | Капля округлая, выпуклая |
| Поведение жидкости в капилляре | Уровень поднимается | Уровень опускается |
| Пример сочетания жидкости и твёрдого тела | Вода и чистое стекло | Ртуть и стекло |
Вода растекается по чистому стеклу, а ртуть собирается на стекле в капли. Определите, где наблюдается смачивание, а где несмачивание. Здесь достаточно сопоставить наблюдаемое поведение жидкостей с определениями. Сначала смотрим на площадь контакта, а не на название вещества.
Ответ: вода смачивает стекло, ртуть его не смачивает. Решение основано на форме жидкости и её контакте с поверхностью. Для другой пары материалов вывод нужно делать заново.
В тонкие стеклянные трубки разного диаметра опустили воду. В какой трубке вода поднимется выше? Условие говорит, что трубки отличаются диаметром, а материал и жидкость одинаковы. Значит, сравниваем только зависимость капиллярного эффекта от ширины.
Ответ: выше вода поднимется в трубке меньшего диаметра. Не следует выбирать широкую трубку только потому, что в ней больше места для воды: важна выраженность взаимодействия со стенками. Числовые данные для такого качественного сравнения не нужны.
Ртуть поместили в узкий стеклянный капилляр. Предскажите, будет ли её уровень выше или ниже уровня ртути в широком сосуде, и объясните почему. Здесь сначала устанавливаем тип взаимодействия ртути со стеклом, а затем применяем правило для капилляра. Важно не переносить на ртуть поведение воды.
Ответ: уровень ртути в капилляре окажется ниже. Направление изменения следует из несмачивания, а узость трубки делает это изменение заметнее. Это не означает, что вся ртуть в сосуде опустится.
Ошибка — считать, что любая жидкость смачивает любое твёрдое тело. Её допускают, когда запоминают свойства жидкости отдельно от материала поверхности. Проверяйте себя вопросом: какая именно жидкость соприкасается с каким телом? У одной жидкости контакт с разными материалами может быть различным.
Ошибка — объяснять капиллярный подъём обычным давлением или работой насоса. Такое объяснение не учитывает, что уровень меняется из-за взаимодействия жидкости со стенками узкого канала. Чтобы проверить рассуждение, выясните, смачивается ли стенка, и предскажите направление изменения уровня. Если трубка капиллярная и насос не упомянут, рассматривайте капиллярное явление.
Ошибка — утверждать, что любая жидкость в капилляре поднимается. Так рассуждают, если запомнили только пример воды в стеклянной трубке. Сначала определите, смачивает ли жидкость материал стенки: смачивающая поднимается, несмачивающая опускается. Пример ртути в стеклянном капилляре помогает проверить правило.
Ошибка — считать, что в более широкой трубке изменение уровня будет сильнее. Путают больший объём трубки с выраженностью действия капиллярных сил. Сравнивая трубки, проверяйте именно их ширину: чем капилляр уже, тем заметнее подъём или опускание. При одинаковых жидкости и материале стенок это правило позволяет выбрать ответ.
Для объяснения смачивания нужны знания о молекулярном строении вещества и взаимодействии молекул: поведение жидкости определяется сравнением разных притяжений. Тема связана и с поверхностным натяжением — оно помогает понять, почему поверхность жидкости и капли стремятся принять определённую форму. Капиллярные явления применяются к движению воды в почве и растениях, а также в пористых материалах. Поэтому понятие капилляра полезно не только при изучении жидкостей в трубках.
Почему вода растекается по стеклу, а ртуть собирается в капли?
Вода притягивается к стеклу сильнее, чем её молекулы притягиваются друг к другу, поэтому она растекается и смачивает поверхность. У ртути сильнее притяжение между её собственными молекулами, поэтому она собирается в каплю и не смачивает стекло.
Почему вода поднимается в тонкой трубке?
Вода смачивает стеклянные стенки, и взаимодействие со стенками тянет её вверх. В узкой трубке этот эффект заметнее, поэтому уровень воды оказывается выше, чем в широком сосуде.
Может ли жидкость в капилляре опуститься ниже уровня в сосуде?
Да, так происходит с жидкостью, которая не смачивает стенки капилляра. Например, ртуть в стеклянной трубке опускается ниже уровня в широком сосуде.
Почему в более узкой трубке капиллярный эффект заметнее?
В узком капилляре действие взаимодействия жидкости со стенками сильнее проявляется по сравнению с объёмом жидкости. Поэтому подъём смачивающей жидкости или опускание несмачивающей оказывается более значительным.
Где капиллярные явления встречаются в природе?
Вода перемещается по узким промежуткам между частицами почвы и поднимается по тонким каналам в растениях. Похожие явления помогают жидкости впитываться в бумагу и ткань.
§ 6. Смачивание. Капиллярные явления
