Застосування та прояв капілярності у побуті, у природі, у техніці
Якось, коли я захворіла, мама вирішила дізнатися про температуру мого тіла і запропонувала мені поміряти її за допомогою термометра. Спочатку, коли мама подала мені термометр, він показав тридцять шість градусів. Я його струснула, помістила собі в пахву і почекала деякий час. Показання термометра цього разу склали тридцять сім цілих та два десятих градуси. Отже, я була хвора, і мені довелося лікуватися.
Мене зацікавила дуже тонка трубка у термометрі. Я захотіла дізнатися, як вона називається, чи є такі тонкі трубки в природі, в техніці і ще в побуті. Відгадку підказала вчитель фізики. Вона розповіла про капіляри та запропонувала мені вивчити капілярні явища.
Під капілярними явищами розуміють підйом чи опускання рідини у вузьких трубках - капілярах.
Термін «капіляр» походить від латинського слова capillus-волосся.
Капілярні явища вперше було досліджено Леонардо да Вінчі у п'ятнадцятому столітті.
Рух рідини в капілярах може бути викликаний різницею капілярних тисків, що виникає внаслідок різної кривизни поверхні рідини. Потік рідини спрямований у бік меншого тиску: для рідин, що змочують, - до меніска з меншим радіусом кривизни. Знижений, у відповідність до рівняння Кельвіна, тиск пари над змочують меніски є причиною капілярної конденсації рідин в тонких порах.
Негативний капілярний тиск надає стягуючу дію на стінки, що обмежують рідину. Це може призводити до об'ємної деформації високо дисперсних систем та пористих тіл – капілярної контракції. Так, наприклад, зростання капілярного тиску, що відбувається, призводить до усадки матеріалів.
Багато властивостей дисперсних систем (проникність, міцність, поглинаннярідини) значною мірою обумовлені капілярними явищами, тому що в тонких порах цих тіл реалізуються високі капілярні тиски.
Викривлення поверхні рідин веде до появи в рідині додаткового капілярного тиску ∆р, величина якого пов'язана із середньою кривизною r поверхні рівнянням Лапласа.
Капілярний тиск створюється силами поверхневого натягу, що діють по дотичній поверхні розділу. Викривлення поверхні розділу веде до появи складової, спрямованої всередину обсягу однієї з фаз, що контактують. Для плоскої поверхні розділу така складова відсутня ∆р=0.
Капілярні явища охоплюють різні випадки рівноваги та руху поверхні рідини під дією міжмолекулярних сил та зовнішніх сил (насамперед сили тяжіння), у найпростішому випадку, коли зовнішні сили відсутні або скомпенсовані, поверхня рідини завжди викривлена. Так, в умовах невагомості, обмежений об'єм рідини, що не торкається інших тілами. Приймає під впливом поверхневого натягу форму кулі. Ця форма відповідає стійкій рівновазі рідини, оскільки переважає мінімальної поверхні при даному обсязі, отже, поверхнева енергія рідини в цьому випадку мінімальна. Форму кулі рідина приймає в тому випадку, якщо вона знаходиться в іншій, що дорівнює за густиною рідини (дія сили тяжіння компенсується архімедовою силою, що виштовхує).
При не скомпенсованій силі тяжкості картина суттєво змінюється. Малов'язка рідина (наприклад, вода), взята в достатній кількості, набуває форми судини, в яку вона налита. Її вільна поверхня виявляється практично плоскою, тому що сили земного тяжіння долають дію поверхневого натягу, що прагневикривити та скоротити поверхню рідини.
Однак, у міру зменшення маси рідини роль поверхневого натягу знову стає визначальною: при дробленні рідини в середовищі газу або газу рідини утворюються дрібні краплі або бульбашки практично сферичної форми.
Властивості систем, що складаються з багатьох дрібних крапель або бульбашок (емульсії, рідкі аерозолі, піни), та умови їх утворення багато в чому визначаються кривизною поверхні частинок, тобто капілярними явищами.
Не меншу роль капілярні явища грають при утворенні нової фази крапельок рідини при конденсації парів, бульбашок пари при кипінні рідин, зародків твердої фази при кристалізації.
У капілярах вигнуту поверхню при повному змочуванні та не змочуванні можна прийняти за півсферу, радіус якої дорівнює радіусу каналу трубки r.
Уздовж меж поверхневого шару, що має форму кола, на стінки трубки діє сила поверхневого натягу, спрямована вниз. За третім законом Ньютона така ж за модулем сила діє на рідину з боку стінок трубки вгору. Ця сила і змушує рідину підніматися. Оскільки довжина кола l=2πr, ця сила дорівнює F=σ2πr.
Підняття рідини в капілярі припиняється, коли сила врівноважується силою тяжкості mg, що діє піднятий стовпчик рідини.
Висота підняття рідини, що змочує, в капілярі дорівнює
Рідина, що не змочує стінки капіляра (наприклад, ртуть у скляній трубці), опускається нижче рівня рідини в широкій посудині.
Глибина h, яку опускається рідина, також визначається формулою 2σ h = — .
Капілярна дефектоскопія. Метод дефектоскопії заснований на проникненні деяких речовин у дефекти виробів під дією капілярного тиску, через щоштучно підвищується світло- та квітоконтрастність дефектної ділянки щодо непошкодженої. Для цього на поверхню виробу наносять люмінесцентну речовину, яка засмоктується капілярами в тріщини та інші пошкодження поверхні і робить їх легко виявленими. Цей метод називають люмінесцентною, а іноді світловою дефектоскопією.
Капілярна хімія - застаріла назва фізико-хімічних поверхневих явищ, що входять, як складова частина, в сучасну колоїдну хімію.
Капілярна конденсація - це конденсація пари в капілярах і мікротріщин пористих тіл або в проміжках між тісно зближеними твердими частинками. Складна капілярна структура пористого тіла може бути причиною капілярного гістерезису - залежності кількості рідини, що сконденсувалася в порах, не тільки від тиску пари, але і від передісторії процесу, тобто від того, як було досягнуто даний стан: в процесі конденсації або в ході випаровування рідини.
Капілярні хвилі – це хвилі лежить на поверхні рідини малої довжини. У відновлення рівноважного стану поверхні рідини при капілярних хвилях основну роль відіграють сили поверхневого натягу.
Капілярний тиск. Різниця тисків з обох боків викривленої поверхні розділу фаз (рідина-пар або двох рідин), викликана її поверхневим (міжфазним) натягом.
Капілярний кровообіг - це рух крові в дрібних судинах - капілярах, що забезпечує обмін речовин між кров'ю і тканинами. Капілярний кровообіг здійснюється внаслідок різниці гідростатичних тисків в артеріальному та венозному кінцях капіляра. Тиск в артеріальному кінці дорівнює 30-35 мм. ртутного стовпа, що на 8-10 мм. перевищує онкотичний тиск плазми. Під впливом цієїрізниці тисків вода і багато розчинені в ній речовини (крім високомолекулярних білків) переходять із плазми крові в тканинну рідину, приносять до тканин необхідні для життєдіяльності речовини. У міру просування крові капіляром гідростатичність тиску падає і у венозному кінці капіляра дорівнює 12-17 мм. ртутного стовпа, що приблизно 10 мм. нижче від онкотичного тиску крові. Внаслідок цього вода та розчинені в ній речовини переходять із тканинної рідини в плазму. Тим самим забезпечується видалення продуктів обміну із тканин. Розмір капілярного кровообігу пропорційна інтенсивності обміну речовин. Так, у стані спокою, на 1 мм. поперечного перерізу скелетного м'яза припадає 30-50 функціонуючих капілярів; при інтенсивній діяльності м'язи їх кількість зростає у 50-100 разів.
1. 2. Застосування та прояв капілярності у побуті, у природі та техніці.
У побуті використається медичний термометр.
Цегляні будинки у своїй нижній частині повинні бути ізольовані від вологи, тому що цегла - пористі тіла і добре вбирає вологу, а це може призвести до погіршення теплоізоляційних властивостей кладки та руйнування.
У природі завдяки численним капілярам у ґрунті вода піднімається до поверхні та інтенсивно випаровується. Це веде до втрати вологи, необхідної рослинам, а щоб волога не випаровувалась, землю треба частіше розпушувати, тобто ламати капіляри.
У техніці - капілярні явища застосовують як один із способів підведення мастила до деталей машини.
Глава 2. Практична частина.
2. 1 Опис дослідів щодо вивчення явищ капілярності.
I Досвід. Вивчення залежності між висотою підняття рідини h та діаметром капіляра d.
1 крок: добре протерла від жиру та пилу судину та капілярні трубки.
2крок: налила в посудину чистої води із крана.
3 крок: потім поставила в посуд капіляр.
Загальне в них усіх було те, що в кожному капілярі вода піднімалася вище за рівень води в посудині.
А розрізнялися вони тим, що у кожного був різний діаметр отвору. І тому в кожному їх вода піднімалася на різну висоту.
d = 7 мм 3 мм d = 5 мм 5 мм d = 3 мм 9 мм
Температура у приміщенні сімнадцять градусів.
Висновок: Чим тонше капіляр, тим вища висота підйому рідини.
II Досвід. Вивчення залежності між висотою підняття рідини і характером рідини.
Замість води, яка добре змочує скло, я взяла жир. Жир скло змочує погано.
Він не піднімається по капіляру, тому що не змочує скло, оскільки у взаємодії його молекул із молекулами скла переважає відштовхування. Значить, жир не підніматиметься капіляром.
Я намагалася визначити висоту опускання жиру в капілярі: для цього опустила капіляр до дна судини і затиснула верхню частину пальцем, потім витягла капіляр і виміряла висоту стовпа рідини в капілярі. Вона становила двадцять один мм. Потім виміряла висоту рідини в посудині, вона становила двадцять п'ять мм.
Висновок. Рідина, що не змочує капіляр, не піднімається по ньому, а її рівень у капілярі нижчий за рівень у посудині.
III Досвід. Визначення залежності між висотою підняття рідини h та температурою рідини t.
Для досвіду було обрано капіляр діаметром 4 мм. Вимірюючи висоту стовпа рідини в капілярі через кожні 10 градусів при охолодженні рідини, я отримала наступні результати t 300 400 500 600 700 С
h 4. 2 мм 4. 4 мм 4. 6 мм 4. 8 мм 5 мм
Якщо уявити у вигляді графіка
Висновок: Між висотою підняття рідини в капілярі та їїТемпературою існує лінійна залежність.
Не було б щастя, та нещастя допомогло: завдяки моїй хворобі та моїй допитливості я познайомилася з дуже цікавими предметами – тонкими трубочками під назвою «капіляри». Я вивчила такі цікаві явища як підвищення рідини по капіляру вище рівня основної рідини в посудині і опускання рідини по капіляру нижче рівня основної рідини в посудині.
Моє припущення (гіпотеза) отримало своє підтвердження досвідченим шляхом.
Рідина, що знаходиться в капілярі, піднімається (опускається) щодо рівня рідини в посудині тим більше (менше), чим менше діаметр капіляра і вище температура рідини.