КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ физические явления, обусловленные действием
поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред. К К.
я. относят обычно явления в жидких средах, вызванные искривлением их поверхности,
граничащей с др. жидкостью, газом или собств. паром.

Искривление поверхности ведёт к появлению в жидкости дополнительного
к а-пиллярного давления Др, величина к-рого связана со средней кривизной
r
поверхности
ур-нием Лапласа:р = p- ргдеповерхностное
натяжение на границе двух сред; p и р- давления в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе) 2. В
случае вогнутой поверхности жидкости (r < 0) давление в ней понижено
по сравнению с давлением в соседней фазе: p <
рир < 0. Для выпуклых поверхностей
(r
> О) знакр меняется
на обратный.

Капиллярное давление создаётся силами поверхностного натяжения, действующими
по касательной к поверхности раздела. Искривление поверхности раздела ведёт
к появлению составляющей, направленной внутрь объёма одной из контактирующих
фаз. Для плоской поверхности раздела (r - °°) такая составляющая
отсутствует ир = О.

К. я. охватывают различные случаи равновесия и движения поверхности
жидкости под действием межмолекулярных сил и внешних сил (в первую очередь
силы тяжести).

В простейшем случае, когда внешние силы отсутствуют или скомпенсированы,
поверхность жидкости всегда искривлена. Так, в условиях невесомости
ограниченный
объём жидкости, не соприкасающейся с др. телами, принимает под действием
поверхностного натяжения форму шара. Эта форма отвечает устойчивому равновесию
жидкости, поскольку шар обладает минимальной поверхностью при данном объёме,
и, следовательно, поверхностная энергия жидкости в этом случае минимальна.

Форму шара жидкость принимает и в том случае, если она находится в другой,
равной по плотности жидкости (действие силы тяжести компенсируется архимедовой
выталкивающей силой, см. Архимеда закон). При нескомпенсированной
силе тяжести картина существенно меняется Маловязкая жидкость (напр., вода),
взятая в достаточном количестве, принимает форму сосуда, в к-рый она налита.
Её свободная поверхность оказывается практически плоской, т. к. силы земного
притяжения преодолевают действие поверхностного натяжения, стремящегося
искривить и сократить поверхность жидкости. Однако по мере уменьшения массы
жидкости роль поверхностного натяжения снова становится определяющей: при
дроблении жидкости в среде газа или газа в жидкости образуются мелкие капли
или пузырьки практически сферич. формы (см. Капля).

Свойства систем, состоящих из многих мелких капель или пузырьков (эмульсии,
жидкие аэрозоли, пены), и условия их образования во многом определяются
кривизной поверхности частиц, т. е. К. я. Не меньшую роль К. я. играют
и при образовании новой фазы: капелек жидкости при конденсации паров,
пузырьков пара при кипении жидкостей, зародышей твёрдой фазы при
кристаллизации.

При контакте жидкости с твёрдыми телами на форму её поверхности существенно
влияют явления смачивания, обусловленные взаимодействием молекул
жидкости и твёрдого тела. На рис. 1 показан профиль поверхности жидкости,
смачивающей стенки сосуда. Смачивание означает, что жидкость сильнее взаимодействует
с поверхностью твёрдого тела (капилляра, сосуда), чем находящийся над ней
газ. Силы притяжения, действующие между молекулами твёрдого тела и жидкости,
заставляют её подниматься по стенке сосуда, что приводит к искривлению
примыкающего к стенке участка поверхности. Это создаёт отрицательное (капиллярное)
давление, к-рое в каждой точке искривлённой поверхности в точности уравновешивает
давление, вызванное подъёмом уровня жидкости. Гидростатич. давление в объёме
жидкости при этом изменений не претерпевает. Если сближать плоские стенки
сосуда т. о., чтобы зоны искривления начали перекрываться, то образуется
вогнутый мениск - полностью искривлённая поверхность. В жидкости
под мениском капиллярное давление отрицательно, под его действием жидкость
всасывается в щель до тех пор, пока вес столба жидкости (высотой h)
не
уравновесит действующее капиллярное давление Др. В состоянии равновесия
(gh
=р = 2где- плотность жидкости 1 и газа 2; g - ускорение свободного падения.
Это выражение, известное как формула Д. Жюрена (J. Jurin, 1684-1750), определяет
высоту h капиллярного поднятия жидкости, полностью смачивающей стенки
капилляра. Жидкость, не смачивающая поверхность, образует выпуклый мениск,
что вызывает её опускание в капилляре ниже уровня свободной поверхности
(h < О).

Рис. 1. Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей стенки (вода в стеклянном
сосуде и капилляре).

Капиллярное впитывание играет существенную роль в водоснабжении растений,
передвижении влаги в почвах и др. пористых телах. Капиллярная пропитка
различных материалов широко применяется в процессах хим. технологии.

Искривление свободной поверхности жидкости под действием внешних сил
обусловливает существование т. н. капиллярных волн ("ряби" на поверхности
жидкости). К. я. при движении жидких поверхностей раздела рассматривает
физико-химическая гидродинамика.

Движение жидкости в капиллярах может быть вызвано разностью капиллярных
давлений, возникающей в результате различной кривизны поверхности жидкости.
Поток жидкости направлен в сторону меньшего давления: для смачивающих жидкостей
- к мениску с меньшим радиусом кривизны (рис. 2, а).

Рис. 2. а - перемещение жидкости в капилляре под действием разности
капиллярных давлений (r rб
- стягивающее действие капиллярного давления.

Пониженное, в соответствии с Кельвина уравнением, давление пара
над смачивающими менисками является причиной капиллярной конденсации
жидкостей
в тонких порах.

Отрицательное капиллярное давление оказывает стягивающее действие на
ограничивающие жидкость стенки (рис. 2, 6). Это может приводить
к значит, объёмной деформации высокодисперсных систем и пористых тел -
капиллярной контракции. Так, напр., происходящий при высушивании рост капиллярного
давления приводит к значит, усадке материалов.

Многие свойства дисперсных систем (проницаемость, прочность, поглощение
жидкости) в значит, мере обусловлены К. я., т. к. в тонких порах этих тел
реализуются высокие капиллярные давления.

К. я. впервые были открыты и исследованы Леонардо да Винчи (15 в.),
затем Б. Паскалем (17 в.) и Д. Жюреном (18 в.) в опытах с капиллярными
трубками. Теория К. я. развита в работах П. Лапласа (1806), T. Юнга (1805),
С. Пуассона (1831), Дж. Гиббса(1875) и И. С. Гро-меки (1879, 1886).

Лит.: Адам H. К., Физика и химия поверхностей, пер. с англ.,
M., 1947; Г р о-м е к а И. С., Собр. соч., M., 1952.

H. В. Чу рае в.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я