Чому пляшка стискається, коли людина – висмоктує – рідина, навіть якщо вода доходить до країв
Отже, у нас є пластикова (це важливо) пляшка до країв наповнена водою. Зовні у нас атмосферний тиск. Поки що система в рівновазі нічого не відбувається.
Ви починаєте всмоктувати воду. Її обсяг у пляшці зменшується, але оскільки повітря у пляшку не потрапляє, то на місце випитої води приходить "нічого". Тиск "нічого" менше атмосферного і пляшка моментально стискається до обсягу води, що залишилася в ній. В принципі так можна осушити пляшку майже повністю, якщо вашої сили всмоктування вистачатиме для створення різниці тисків достатньої для деформації пластику.
Якщо скляна пляшка, то атмосферного тиску вже не вистачає для зміни її форми. Так що пити таким "вакуумним способом" з неї довго не вийде - вас дуже сильно засмоктувати всередину.
У космосі — де немає атмосфери, а отже й тиску — навіть пластикова пляшка не стискатиметься за такого способу пиття. До речі, такий спосіб не відрізнятиметься від звичайного, тому що у вас що у пляшці вакуум, що зовні. без різниці.
UPD: інженер Артем Клім зауважив, що якщо в космосі повністю видалити газ із води, то тяжіння між молекулами води та пляшки (а також молекул води між собою) зможе стиснути пляшку навіть у відсутності атмосферного тиску. Ця унікальна властивість рідин дозволяє створювати в них негативний тиск - явище, що робить можливим існування дерев на Землі.
Але навіть у космосі якщо ретельно видалити гази з води, пляшка без бульбашок стискатиметься за рахунок взаємодії молекул води зі стінками (і між собою). Якщо буде хоч одна крихітна бульбашка - вже не стиснеться, але без нихстискається. Саме за рахунок цього тяжіння в рідинах (на відміну від газів) можна створювати негативний тиск, чим і користуються багато дерев.
Артеме, я не впевнена, що вас зрозуміла. Взаємодія води зі стінами – це сила поверхневого натягу. Дерева справді її використовують (не багато — усі) і це явище називається капілярним явищем. Ключове слово – капіляр. Але пляшка в жодному наближенні не є капіляром. Будь ласка, поясніть.
ні, капіляр тут не до чого. Капіляр не може створити тиск в мінус 15 атмосфер, щоб витягнути воду на висоту в півсотні метрів, не вистачить його, там інший механізм. Те, про що я кажу, відноситься до поняття "розтягнута рідина" - метастабільний стан, можливий завдяки вандервальсовим силам. без жодного поверхневого натягу (у нас немає повітря і немає "відкритої" поверхні води - є тільки контакт зі стінкою) молекули рідини притягуючись між собою (і до стінок судини) не дадуть утворитися порожнечі навіть при тиску в мінус 23 МПа (близько 230 атмосфер , було отримано у досвіді з водою), якщо, звичайно, рідина ретельно очищена. З тієї ж причини в досвіді Торрічеллі якщо акуратно піднімати трубку, то порожнечі зверху (з боку запаяного кінця) не утворюється деякий час.
Щодо дерев – діаметр капілярів у них від 20 до 200 мікрометрів. Якщо згадати формулу за якою можна визначити силу поверхневого натягу і відповідно висоту, на яку вона підніме воду в капілярі (такі завдання навіть у школі вирішували) вийде що метр-два для дерева - стеля. Якби вони могли створювати "абсолютний" вакуум, то підняли б воду ще метрів на 10. Але є дерева заввишки понад 100 метрів.
Артеме, дякую, це цікаво. Давайте розумітися. Отже,я згадала капілярні явища до дерев, у тому сенсі, що вода піднімається нагору. Отже ми говоримо про змочування водою матеріалу капіляра, правда?
Що таке змочування? Це явище при якому тяжіння між молекулами рідини і молекулами матеріалу більше тяжіння молекул рідини один до одного (ви про це якраз і писали).
Що таке сила поверхневого натягу? Це сила, яка виникає на поверхні двох фаз (у тому числі між рідиною та твердим тілом), через те, що сили міжмолекулярної взаємодії в рідині не компенсовані на поверхні розділу. Простіше кажучи, в обсязі рідини молекула притягується всіма молекулами навколо (з усіх боків), а на поверхні розділу лише тими, які знаходяться з одного боку. Через це на поверхню рідини діє велика сила і рідина прагне зібратися в кульку. Як бачите, якщо у вас є рідина, де б вона не була і в яких би умовах ви її не тримали, у вас завжди будуть сили поверхневого натягу. Просто тому, що є поверхня — хоч у космосі, хоч у пляшці.
Значить змочування може бути визначено тепер так: це явище, при якому сила взаємодії матеріалу та рідини більша, ніж сила поверхневого натягу даної рідини. Ідея зрозуміла, так? Оскільки взаємодія рідини та матеріалу відбувається лише на поверхні розділу, то ми можемо порахувати сумарну силу взаємодії молекул рідини в обсязі – це поверхневий натяг. Чи згодні?
Разом. У явищі змочування сили поверхневого натягу грають одну з двох ключових ролей (друга - це взаємодія молекул рідини з матеріалом). У капілярних явищах змочування також відіграє ключову роль. А значить для капілярних явищ поверхневий натяг дуже важливий.
Навіщо це все. До того, що я думаю, що це "розтягування рідини" є ні що інше, як капілярне явище (у тому сенсі, в якому я його описала). Тобто це питання про співвідношення сили поверхневого натягу, сили взаємодії поверхні рідини та поверхні судини та гравітації. Якщо гравітації немає, то коректніше говорити про силу змочування, а не капілярах — погоджуся.
Щоб не було різночитань, хотів би почати із класифікації. Змочування це взагалі взаємодія рідини з поверхнею твердого тіла, або іншої рідини (без змішування).
Змочування поділяють на 2 види. Контактне - коли присутні 3 фази (наприклад крапля води, тверда поверхня/стінка і повітря), тобто не вся поверхня твердого тіла контактує з водою. І імерсійне, це коли вся поверхня тіла контактує з водою, лише 2 фази, без повітря. Наприклад, повністю занурене тіло або наш приклад з пляшкою всередині якої немає ні бульбашки газу (вся внутрішня поверхня контактує). Так ось відмінності в поведінці рідини та взаємодії з твердим тілом є тільки у разі контактного змочування, тільки в такому випадку говорять "змочує" або "не змочує" (але навіть у разі "не змочує" взаємодія є і воно того ж знака - притягується) , відрізнятиметься так само кут змочування в обох випадках. особисто мені не подобається плутанина в українськомовній термінології: змочує завжди, коли взаємодіє, тому що змочуванням називається сама взаємодія, навіть тоді, коли "не змочує" - тобто взаємодіє слабше ніж взаємодіють молекули рідини між собою.
Під капілярними явищами зазвичай розуміють явище зміни рівня рідини в тонких трубках - капілярах. Це окремий випадок контактного змочування і дужедобре описаний та вивчений. Природно, у дереві є тонкі трубки, і вода змочує їхню поверхню і тому явище це є. Але тільки за допомогою цього явища вода в капілярах дерева може піднятися не вище ніж на метр, відсила - 2. Тому помилково вважати, що вони піднімають воду, використовуючи виключно капілярний ефект. Капілярним ефектом вони піднімуть воду на метр, але на інші вже набудуть чинності інші механізми.
На рахунок розтягування рідини - по-перше, для неї не потрібно капіляра - можна використовувати ємність хоч сферичної форми. Тому і хоч у цьому явищі присутні ті ж сили - сили взаємодії між молекулами рідини, а також сили взаємодії з твердою поверхнею, це різні ефекти, які проявляються в різних умовах. Капілярні ефекти мають місце при контактному змочуванні і виявляються у вигляді зміни висоти стовпа в капілярі, коли як розтягнення рідини - це можливість рідин "мати" негативний тиск при цьому не повинно бути газоподібної фази, тобто змочування ніяк не контактне.
І по-друге: з того, що тяжіння молекул до ртуті до скла менше ніж тяжіння молекул ртуті до ртуті не випливає, що молекули ртуті відштовхуються від скла. У разі контактного змочування, це відчутно змінить поведінку системи, змінить кут змочування. Але якщо у нас ртуть займає весь об'єм трубки, без "бульбашок" і порожнин, то той факт, що ртуть не змочує скло, не скасує той факт, що ртуть, як і раніше, до нього притягується, нехай і сила ця менше, ніж тяжіння молекул ртуті між собою, але вона ненульова і навіть більша за вагу того стовпа ртуті, і вакуумний розрив при акуратному плавному перевороті може бути не відразу. Тому і розтягування рідини можливе в тому випадку, якщо притягнення рідини достінкам ємності більше за нуль. (не обов'язково більше тяжіння молекул рідини між собою. Від цього залежить тільки "де порветься" зі збільшенням впливу)
І я так і не зрозумів, що ви хотіли сказати пропозицією
"Якщо гравітації немає, тоді коректніше говорити про силу змочування, а не капілярах - погоджуся."
На мій погляд, якщо гравітації немає, але є тонка трубка і 3 фази - теж буде капілярний ефект, як будуть і сили тяжіння між поверхнею і рідиною (як води зі склом так і ртуті зі склом) і тяжіння молекул рідини між собою, якщо трубки немає то незалежно від того, чи є гравітація, чи ні її, всі тяжіння молекул залишаться, але ефекти матимуть інші назви.