Фізика і астрономія. Профільний рівень. 10 клас. Засєкіна

§ 35. Змочування. Капілярні явища

Змочування. Крайовий кут. Розглянемо явища, що виникають на межі дотику поверхонь рідини і твердого тіла. У повсякденному житті можна спостерігати, що крапля води може розпливатись (наприклад, по чистій поверхні скла (мал. 164, а)), але може і не розпливатись і мати при цьому форму майже правильної кулі (наприклад, краплі роси) (мал. 164, б). У першому випадку кажуть, що вода змочує поверхню, у другому — не змочує.

Мал. 164. Явище змочування (а); незмочування (б)

Як саме поводитиме себе рідина на поверхні твердого тіла, залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла. Якщо взаємодія молекул рідини між собою менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то маємо випадок змочування, а коли ця взаємодія більша, — незмочування. Характеристикою явища змочування є крайовий кут θ (мал. 165).

Крайовий кут (кут змочування) θ — це кут, утворений плоскою поверхнею твердого тіла та площиною, дотичною до поверхні рідини, яка межує з твердим тілом.

Мал. 165. Крайовий кут: а — гострий для змочувальних рідин; б — тупий для незмочувальних

Значення косинуса крайового кута (cos θ) визначає ступінь змочування: для змочувальних рідин cos θ додатний, для незмочувальних — від’ємний, а для ідеально змочуваних поверхонь cos θ = 1.

Явище змочування відіграє важливу роль у побуті й техніці. Якби вода не змочувала тіло людини, то марним було б купання. Добре змочування потрібне під час фарбування і прання, паяння, збагачення руд цінних порід і в інших технічних процесах.

Оскільки крайовий кут утворюється і за вертикального положення твердої поверхні, це приводить до підняття змочувальної рідини або опускання незмочувальної біля країв посудини (мал. 166).

Мал. 166. Підняття змочувальної рідини (а) й опускання незмочувальної (б)

Особливо чітко це явище спостерігається у вузьких трубках (капілярах), де викривляється вся вільна поверхня. Явища підняття (опускання) рідини в капілярах називаються капілярними.

Формула Лапласа для капілярного тиску. Змочувальна рідина у капілярі піднімається по стінці, утворюється увігнута поверхня рідини (увігнутий меніск) (мал. 167, а). Незмочувальна рідина опускається в капілярі, утворюючи опуклий меніск (мал. 167, б). Оскільки площа поверхні меніска більша, ніж площа внутрішнього перерізу капіляра, то молекулярні сили прагнуть випрямити викривлену поверхню рідини, і цим створюється додатковий тиск Δp, який для змочування (увігнутий меніск) напрямлений від рідини (мал. 167, а), а для незмочування (опуклий меніск) — усередину рідини (мал. 167, б). Величину цього тиску визначив французький учений П’єр Симон де Лаплас, тому його часто називають лапласівським тиском.

Мал. 167. Кривизна меніска зумовлює появу додаткового тиску ±Δp (знак «+» — для опуклого меніска, знак «-» — для увігнутого)

Якщо в змочувальну рідину опустити капіляр, рідина втягнеться в нього і її рівень розміститься на висоті h над рівнем рідини поза капіляром (мал. 168, а).

Мал. 168. а — підняття змочувальної і б — опускання незмочувальної рідини в капілярі

Це пояснюється тим, що лапласівський тиск Δp в капілярі напрямлений угору, і рідина втягується доти, поки цей тиск не зрівноважиться гідростатичним тиском стовпа рідини ρgh. Установимо, як можна визначити висоту підняття рівня рідини в капілярі.

Мал. 169. Зв’язок між радіусом меніска, радіусом капіляра та крайовим кутом

Якщо рідина не змочує капіляр, то в цьому разі рівень рідини в ньому буде нижчим від рівня рідини в посудині (мал. 168, б). Глибина опускання рівня рідини визначається тими самими формулами.

Капілярні явища мають велике значення в природі й техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла й листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов’язані з диханням і живленням організмів. У тілі кожної людини приблизно 160 • 10⁹ капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод і вологи застосовують гідроізоляційні матеріали — толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини. Часто капілярні явища використовують і в побуті. Висушувальна дія рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу ґрунтується на капілярних явищах.

Осмотичний тиск. Якщо розчин (наприклад, цукру у воді) і розчинник (воду) розділити перетинкою, яка пропускає молекули води й не пропускає молекули цукру, то концентрація розчину вирівнюватиметься тільки внаслідок переміщення молекул води (мал. 170). Молекули води можуть рухатись із розчину в розчинник і в зворотному напрямку — з води в розчин. З більшою швидкістю відбувається дифузія в розчин, де концентрація води є меншою. Унаслідок цього об’єм розчину поступово зростає, а концентрація цукру в ньому зменшується. Сила, яка обумовлює рух розчинника через напівпроникну мембрану, називається осмотичним тиском.

Мал. 170. Осмос

Для визначення величини осмотичного тиску розглянемо дослід (мал. 171). Якщо розчин вмістити в посудину, яка вгорі переходить у вузьку вертикальну трубку, а знизу закрита напівпроникною мембраною, то внаслідок осмосу об’єм розчину збільшується. Але з підняттям рівня рідини в трубці виникне надлишковий тиск, що спричинить збільшення швидкості переміщення молекул води з розчину в розчинник, тобто протидіє осмосу. Коли гідростатичний тиск досягне певного значення, осмос припиниться, встановиться рівновага. Тиск стовпа й виражає величину осмотичного тиску.

Мал. 171. До визначення осмотичного тиску

Осмотичний тиск крові, лімфи і тканинної рідини має велике значення в регуляції обміну води між кров’ю і тканинами. Зміна осмотичного тиску рідини, що оточує клітини, веде до порушень водного обміну в них.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

• 1. Розкрийте фізичну сутність явищ змочування та незмочування.
• 2. Чому плями жиру на одязі не вдається змити водою?
• 3. Поясніть, у якому випадку рідина в капілярі піднімається, а в якому — опускається.
• 4. Виведіть формулу, за якою визначають висоту піднімання чи опускання рідини в капілярі.
• 5. Наведіть приклади врахування й використання капілярних явищ у повсякденному житті.

Експериментуємо

Дві повітряні кульки, надуті до різного розміру, надіті на трубку з краном (мал. 172). Чи будуть змінюватися розміри кульок, якщо відкрити кран? А якщо будуть змінюватися, то як саме?

Мал. 172

ВПРАВА 31