Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

§ 30. Змочування. Капілярні явища

• Змочування
• Капілярні явища

ЗМОЧУВАННЯ. Якщо рідина межує з її ж парою, то взаємодії між молекулами слабкіші і їх можна не враховувати. Якщо поверхневий шар рідини межує з твердим тілом, то взаємодію молекул рідини і твердого тіла слід враховувати. У повсякденному житті можна спостерігати, що крапля води розпливається чистою поверхнею скла (мал. 30.1, а), але не розпливається забрудненою жиром — і має форму майже правильної кулі (мал. 30.1, б).

Мал. 30.1. Рідина змочує (а) і не змочує поверхню (б)

Тоді говорять, що вода або змочує поверхню, або — не змочує.

Якщо взаємодія між молекулами рідини менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то вона його змочує і, навпаки, якщо ця взаємодія більша, — не змочує.

Явища змочування і незмочування відіграють важливу роль у побуті та техніці. Якби, наприклад, вода не змочувала тіло людини, то марним було б купання. Добре змочування потрібне під час фарбування і прання, паяння, збагачення руд цінних порід та інших технічних процесів.

КАПІЛЯРНІ ЯВИЩА. Змочування або незмочування рідиною стінок посудини впливає на форму вільної поверхні рідини, а також призводить до її підняття або опускання у посудині, в яку занурено капіляр. Ці явища називаються капілярними. Як їх пояснити?

Зануримо в рідину густиною ρ циліндричний капіляр радіусом r ≈ 1 мм (мал. 30.2). Її підняття в капілярі припиниться тоді, коли сила тяжіння піднятого стовпа рідини зрівноважить рівнодійну сил поверхневого натягу: F_н = F_т.

Мал. 30.2. Підняття рідини у капілярі

Сила поверхневого натягу F_н = 2пrσ. Сила тяжіння F_т = mg. Оскільки m = ρV = ρпr²h, справедливою є рівність:

2πrσ = ρпr²hg.

Звідси висота підняття рідини в циліндричному капілярі:

де h — висота підняття рідини в циліндричному капілярі; σ — коефіцієнт поверхневого натягу рідини; ρ — її густина; r — радіус капіляра; g — прискорення вільного падіння.

Якщо рідина не змочує капіляр, то її рівень у ньому буде нижчим від рівня рідини в посудині. Різниця цих рівнів, яку також позначають h, має таку ж залежність від σ, ρ і r, як і під час змочування.

Капілярні явища мають велике значення в природі й техніці. Завдяки їм здійснюється проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов’язані з диханням і живленням організмів.

У будівництві враховують можливість підняття вологи капілярними порами будівельних матеріалів. З метою захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо. Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини. Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.

Головне в цьому параграфі

Якщо взаємодія молекул рідини менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то маємо випадок змочування і навпаки, коли ця взаємодія більша, — незмочування.

Внаслідок дії сил поверхневого натягу рідини, що змочують поверхню тонких трубок — капілярів, піднімаються догори, а рідини, що не змочують поверхню трубок, опускаються вниз. Висота піднімання (або опускання) рідини дорівнює:

Запитання для самоперевірки

• 1. Розкрийте фізичну сутність явищ змочування і незмочування.
• 2. Чому плями з жиру на одязі не вдається змити водою?
• 3. Що називають капілярністю?
• 4. Обґрунтуйте, коли рідина в капілярі піднімається, а коли — опускається.
• 5. Виведіть формулу, за якою визначають висоту піднімання чи опускання рідини у капілярі.
• 6. Наведіть приклади врахування і використання капілярних явищ у повсякденному житті.

Вправа до § 30

1(п). Вкажіть, унаслідок якої взаємодії відбуваються явища змочування і незмочування:

• А Молекул рідини між собою.
• Б Молекул рідини і молекул пари над рідиною.
• В Молекул рідини і молекул твердого тіла, з яким стикається рідина.
• Г Правильної відповіді немає.

2(п). Яку рідину можна налити в склянку вище країв?

• А Ту, що змочує скло.
• Б Ту, що не змочує скло.
• В Так зробити неможливо.
• Г Будь-яку.

3(с). Під час занурення в рідину капілярної скляної трубки рівень рідини в ній піднявся на 4 мм над рівнем рідини в посудині. Чому дорівнюватиме висота підйому тієї самої рідини в скляній трубці з отвором вдвічі більшого діаметра?

• А 16 мм
• Б 8 мм
• В 4 мм
• Г 2 мм

4(с). Визначте масу води, що піднялась у капілярній трубці діаметром 0,5 мм:

• А 0,083 мг
• Б 12 мг
• В 0,083 кг
• Г 12 кг

5(д). У капілярній трубці, радіус якої 0,5 мм, рідина піднялася на висоту 11 мм. Визначте густину цієї рідини, якщо її коефіцієнт поверхневого натягу становить 0,022 Н/м.

6(д). На яку висоту підніметься спирт між двома паралельними скельцями, відстань між якими 1 мм? Вважайте, що змочування поверхні скла спиртом повне. Густина спирту становить 800 кг/м³. Коефіцієнт поверхневого натягу спирту — 22 мН/м.

7(в). У двох капілярних трубках різного діаметра, занурених у воду, встановилася різниця рівнів 2,6 см. Коли ці трубки занурили у спирт, різниця рівнів стала 1 см. Знаючи коефіцієнт поверхневого натягу води, визначте коефіцієнт поверхневого натягу спирту. Густина води дорівнює 1000 кг/м³, спирту — 800 кг/м³. Коефіцієнт поверхневого натягу води 73 мН/м.