Поверхностное натяжение. Капиллярные явления
Условия, в которых находятся молекулы жидкости в объеме и непосредственно у границ раздела жидкости с газом или твердыми стенками, отличаются. Система сил оказывается неравномерной, и появляется равнодействующая, направленная внутрь или наружу объема.
Система, находящаяся в равновесии, занимает то из возможных для нее положений, которое соответствует минимуму энергии. Эти силы направлены по касательной и называются силами поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения можно выразить:
,
где – сила поверхностного натяжения,
– длина линии, ограничивающая поверхность раздела.
Сила поверхностного натяжения оказывает на жидкость дополнительное давление, нормальное к её поверхности, и может быть определена по формуле:
,
где – коэффициент поверхностного натяжения,
– радиус трубки, в которой находится жидкость.
Размерность – СИ [Н/м], сГс – [дин/см]. Для системы вода–воздух при t= 20º С =0,073 Н/м, ртуть–воздух –
=0,48 Н/м.
Силы молекулярного взаимодействия между жидкостью и твердыми стенками создают искривление свободной поверхности вблизи стенок (вогнутое или выпуклое, смачиваемое или несмачиваемое).
В результате этого уровень в капиллярах повышается или понижается. Высота капиллярного подъема (опускания) жидкости:
,
где – радиус трубки,
– краевой угол.
При малых радиусах подъем может быть значительным. Например, для воды высота капиллярного подъема:
= 29,8/
, а для ртути – опускание
= 10,15/
, где диаметр
принимается в мм.
Благодаря действию поверхностного натяжения объем жидкости, на который не действуют никакие другие силы, принимают сферическую форму. С этим свойством связана способность жидкости образовывать капли (рис. 3).
Полное смачивание
Частичное
Частичное несмачивание
Полное несмачивание
Рисунок 3 – Форма капли
Давление насыщенных паров. Давлением насыщенных паров (pн.п), или упругостью паров, называют давление, при котором пары жидкости находятся в равновесии с жидкостью и число молекул, переходящих из жидкости в пар, равно числу молекул, совершающих обратный переход. Оно в значительной степени зависит от температуры и, как правило, увеличивается с ее повышением.
Давление насыщенных паров можно определить как давление, соответствующее точке кипения жидкости при данной температуре.
Растворимость газов в жидкостях происходит при всех условиях, но различна для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления. Она характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости.
Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо пропорциональным давлению, т. е.:
Wг/Wж = kр2/р1
где Wг – объем растворенного газа при нормальных условиях,
Wж – объем жидкости, k – коэффициент растворимости,
р2 и р1 – конечное и начальное давление газа.
При понижении давления в жидкости происходит выделение растворенного газа, причем более интенсивно, чем растворение. Это отрицательно сказывается на работе гидросистем.