Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
 Скачать 5.42 Mb.
|
26. Поверхностное натяжение жидкости. Смачивание. Капиллярные явления.Любая жидкость ограничена поверхностями раздела отделяющими ее от какой-либо другой среды - вакуума, газа, твердого тела, другой жидкости. Энергия поверхностных молекул жидкости отлична от энергии молекул внутри жидкости именно в силу того, что те и другие имеют различных соседей - у внутренних молекул все соседи одинаковы, у поверхностных - такие же молекулы расположены только с одной стороны. Поверхностные молекулы при заданной температуре имеют определенную энергию; перевод этих молекул внутрь жидкости приведет к тому, что их энергия изменится (без изменения общей энергии жидкости). Разность этих энергий носит название поверхностной энергии. Поверхностная энергия пропорциональна числу поверхностных молекул (т.е.площади поверхности раздела) и зависит от параметров соприкасающихся сред; эта зависимость обычно характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения. Наличие поверхностной энергии вызывает появление сил поверхностного нажатия, стремящихся сократить поверхность раздела. Такое стремление есть следствие общего физического закона, согласно которому любая система стремится свести свою потенциальную энергию к минимуму. Жидкость, находящаяся в невесомости, будет принимать форму шара, поскольку поверхность шара минимальна среди всех поверхностей, ограничивающих заданный объем. Конечно, поверхностные силы существуют и в твердых телах, но относительная малость этих сил не позволяет им изменить форму тела, хотя при определенных условиях поверхностные силы могут привести к сглаживанию ребер кристаллов. При контакте жидкости с твердой поверхностью говорят о смачивании. В зависимости от числа фаз, участвующих в смачивании, различают имерсионное смачивание (смачивание при полном погружении твердого тела в жидкость),в котором участвуют только две фазы, и контактное смачивание, в котором наряду с жидкостью с твердым телом контактирует третья фаза - газ или другая жидкость. Характер смачивания определяется прежде всего физико-химическими воздействиями на поверхности раздела фаз, которые участвуют в смачивании. При контактном смачивании свободная поверхность жидкости около твердой поверхности (или около другой жидкости) искривлена и называется мениском Линия, по которой мениск пересекается с твердым телом (или жидкостью),называется периметром смачивания. Явление контактного смачивания характеризуется краевым углом между смоченной поверхностью твердого тела (жидкости) и мениском в точках их пересечения (периметром смачивания) В зависимости от свойств соприкасающихся поверхностей происходит смачивание (вогнутый мениск) или несмачивание (выпуклый мениск) поверхности жидкостью. Автоматический дозатор из одной детали. Такой деталью служит перфорированная фторопластовая пленка. В этой пленке всегда задерживается одинаковый по высоте столбик жидкости. Фторопласт практически не смачивается - поэтому скорость истечения через отверстие зависит только от давления. Кроме отбора проб жидкости из потока , такой дозатор может служить для измерения коэффициента поверхностного натяжения. При растекании жидкости по ее собственному монослою адсорбированному на высокоэнергетической поверхности наблюдается эффект автофобности. Эффект заключается в том, что при контакте жидкости, имеющей низкое поверхностное натяжение , с высокоэнергетическими материалами, происходит вначале полное смачивание, а затем, через некоторый промежуток времени, условия полного смачивания перестают выполняться. В результате изменится направление движения периметра смачивания - жидкая пленка начинает собираться в каплю (или несколько капель) с конечным краевым углом. На ранее смоченных участках твердого тела остается прочно фиксированный монослой молекул жидкости. Эффект используется для нанесения монослойных покрытий на твердые материалы. Капиллярное давление - появляется из-за искривления поверхности жидкости в капилляре. Для выпуклой поверхности давление положительно, для вогнутой - отрицательно. Эффект определяет движение жидкостей в порах, влияет на кипение и конденсацию. Капиллярное испарение - увеличение испарения жидкости вследствие понижения давления насыщенного пара над выпуклой поверхностью жидкости в капилляре; используется для облегчения кипения путем изготовления шероховатых поверхностей. Капиллярная конденсация - увеличение конденсации жидкости вследствие понижения давления насыщенного пара над вогнутой поверхностью жидкости в капилляре. Пар может конденсироваться при температуре выше точки кипения. Используется для осушки газов, в хроматографии. Течение жидкости в капиллярах, а также в полуоткрытых каналах, например, в микротрещинах и царапинах. Распределитель жидкости, например, в колоннах с насадкой состоящей из перфорированной плиты с укрепленной на ней трубкой для подачи жидкости, отличающийся тем, что с целью равномерного распределения жидкости при малых расходах, трубки выполнены в виде капилляров, нижние концы имеют косые срезы. Солнечный концентратор для термоэлектрогенератора отличающийся тем, что с целью сохранения высокого коэффициента отражения в течение всего времени работы, его отражающая поверхность выполнена в виде сотовой пористой или капиллярной структуры, заполненной расходуемым металлом или сплавом, поступающим благодаря капиллярным силам с тыльной стороны концентратора. Эффект капиллярного подъема (опускания) - возникает из-за различия давлений над и под поверхностью жидкости в капиллярном канале. Связь между характером смачивания и капиллярным давлением оказывает большое влияние на возможность проникновения жидкостей в поры и на их вытеснение из пор, что в свою очередь играет важную роль в процессах пропитки, фильтрации, сушки и т.д. Ультразвуковой капиллярный эффект - увеличение скорости и высоты подъема жидкости в капиллярах при непосредственном воздействии ультразвука в десятки раз. Этот эффект реализован в способе ультразвуковой пропитки пористых материалов. Он применен для резкого повышения эффективности тепловой трубы, для чего в зоне конденсации тепловой трубы прикрепили через акустический концентратор излучатель магнитострикционного типа, соединенный с генератором ультразвуковой частоты. Ультразвук, воздействуя на пористый фитиль, способствует быстрейшему возврату конденсата в зону испарения. При этом величина максимального удельного теплового потока вырастает на порядок. Термокапиллярный эффект - зависимость скорости растекания жидкости от неравномерности нагрева жидкого слоя. Эффект объясняется тем, что поверхностное натяжение жидкости уменьшается при повышении температуры. Поэтому при различии температур в разных участках жидкого слоя возникает движущая сила растекания, которая пропорциональна градиенту поверхностного натяжения жидкости. В результате возникает поток жидкости в смачивающей пленке. Влияние неравномерного нагрева различно для чистых жидкостей и растворов (например, поверхностно активных). У чистых жидкостей перетекание происходит от холодной зоны к горячей. При испарении ПАВ, уменьшающих поверхностное натяжение, жидкость начинает перетекать от горячей зоны к холодной. В общем случае движение жидкости определяется тем, что как изменяется поверхностное натяжение в зоне нагрева от температуры и испарения какого-либо компонента. Электрокапиллярный эффект - зависимость поверхностного натяжения на границе раздела твердых и жидких электродов с растворами электролитов или расплавами ионных соединений от электрического потенциала. Эта зависимость обусловлена образованием двойного электрического слоя на границе раздела фаз. Изменением потенциала можно осуществить инверсию смачивания - переход от несмачивания к смачиванию и наоборот. Капиллярный полупроводник. Капилляры обладают способностью избирательной проницаемости. Шейки пор капилляров затрудняют движение только смачивающей жидкости и способствуют продвижению несмачивающей (биологические мембраны). |