§ 19. Капиллярные явления

Продолжим изучение явлений, которые объясняются поверхностным натяжением и смачиванием жидкости.

Возьмем капиллярные трубки различного сечения и опустим их сначала в воду, которая смачивает стекло, а затем в ртуть, которая его не смачивает. Вода в капиллярной трубке поднимется (рис. 20, а), а ртуть - опустится (рис. 20, б); при этом высота подъема смачивающей жидкости и опускания несмачивающей тем больше, чем меньше радиус трубки. Погрузим одну из капиллярных трубок с одинаковыми радиусами в воду, другую - в керосин. Видим, что вода поднялась выше, чем керосин. Значит, высота подъема жидкости (а в случае несмачивания - опускания) в капиллярных трубках зависит от рода жидкости. Явление поднятия или опускания жидкости в капиллярах называется капиллярностью. Выясним, почему смачивающая жидкость в капиллярах поднимается, а несмачивающая - опускается.

Рис. 20. Жидкости в капиллярах

Мы знаем, что под действием сил поверхностного натяжения поверхность жидкости стремится сократиться. Вследствие этого поверхность вогнутого мениска стремится выпрямиться и сделаться плоской (рис. 20, в). При этом она тянет за собой частицы жидкости, лежащие под ней, и жидкость поднимается по капилляру вверх. Но поверхность жидкости в узкой трубке плоской оставаться не может, она должна иметь форму вогнутого мениска. Как только в новом положении данная поверхность примет форму мениска, она снова будет стремиться сократиться и т. д. В результате действия этих двух причин смачивающая жидкость и поднимается по капилляру. Поднятие прекратится, когда сила тяжести Р_тяж поднятого столба жидкости, которая тянет поверхность вниз, уравновесит равнодействующую силу F сил поверхностного натяжения, изображенных маленькими векторами и направленных касательно к каждой точке поверхности.

По окружности соприкосновения поверхности жидкости со стенкой капилляра действует сила поверхностного натяжения, равная произведению коэффициента поверхностного натяжения σ на длину 2πr окружности: F = σ2πr, где r - радиус капилляра.

Сила тяжести, действующая на поднятую жидкость,

где ρ - плотность жидкости; h - высота столба жидкости в капилляре; g - ускорение силы тяжести.

Подъем жидкости прекращается, когда Р_тяж = F или ρπr²hg = σ2πr. Отсюда высота поднятия жидкости в капилляре

В случае несмачивающей жидкости последняя, стремясь сократить свою поверхность, будет опускаться вниз, выталкивая жидкость из капилляра. Выведенная формула применима и для несмачивающей жидкости. В этом случае h - высота опускания жидкости в капилляре.

Высота поднятия в капиллярах смачивающей жидкости и опускания несмачивающей обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости.

В почве имеются капилляры, которые тем уже, чем плотнее почва. По этим капиллярам воду из подпочвенных слоев поднимается до поверхности земли(в песчаной почве с глубины до 30 см, а в суглинистых - до 3 м) и быстро испаряется. Если поверхностный слой почвы вспахать и разрыхлить, разрушив тем самым капилляры, то вода будет подниматься до вспаханного слоя и здесь задерживаться. Проникновение почвенной воды по капиллярам кирпича вызывает сырость в помещениях. Для предотвращения этого между фундаментом дома и стеной прокладывают битум, толь. Эти вещества не имеют капилляров и не смачиваются водой, поэтому вода, поднявшись по порам фундамента, дальше не пойдет. Подъем питательных соков от корня до верхушек растений происходит также по капиллярам.