Pentru lichide care nu umezesc ...
Experiment IIX.13: Creșterea în capilare
În acest capitol vrem să generalizăm conceptul derivat al tensiunii superficiale. Până acum am luat în considerare doar tensiunea superficială a unui lichid împotriva aerului, mai precis împotriva vidului, acum presupunem că interfața este în general întinsă de două medii, mediu 1 împotriva mediu 2. O astfel de interfață constă de ex. între două lichide, între un lichid și un solid sau între un lichid și un gaz. Pentru a identifica mediul între care există interfața, marcăm acum tensiunea superficială cu doi indici s 12. Această tensiune superficială desemnează acum tensiunea care acționează de la suprafața 1 la suprafața 2. Tensiunea superficială este o măsură a energiei care trebuie consumată sau câștigată la schimbarea interfeței între mediul 1 și mediul 2.
Dacă tensiunea superficială este mai mare de 0, o moleculă de suprafață din mediul 2 este mai puternic atrasă de propriul său mediu, adică de mediul 2, decât de mediul 1. După cum sa discutat deja, interfața încearcă să se minimizeze.
Dacă, pe de altă parte, tensiunea superficială este negativă, moleculele de suprafață sunt mai puternic atrase de mediu 1 decât de mediu 2. În acest caz, interfața încearcă să se maximizeze.
Dacă există o interfață între două lichide, amestecarea este posibilă.
Vom lua în considerare acest fenomen doar într-un singur exemplu. În acest scop, luăm în considerare modul în care tensiunea superficială pe o suprafață a unui lichid acționează împotriva unei faze gazoase pe peretele vasului
Prima figură arată interfața dintre un lichid și un gaz pe peretele vasului, unde tensiunea superficială este pozitivă.
Acum considerăm elementul de linie d l al liniei de graniță dintre cele 3 medii; 3 forțe acționează pe această linie de hotar:
F 13 = s 13 d l și F 12 = s 12 d l se află într-o linie de acțiune, dar sunt opuse. Componenta de forță a lui F 23 = s 23 d l care acționează în această direcție este calculată folosind cosinusul.
Pentru s 12> 0, toate cele 3 forțe încearcă să reducă suprafața asociată. În echilibru, se aplică peretelui vasului
Există patru moduri diferite în care tensiunile de suprafață se raportează între ele:
Primul caz: s 12 s 13. Unghiul pe care lichidul îl formează cu peretele vasului este j 0. Lichidul nu uda. Acest caz este prezentat în Figura IIX.24a. Un exemplu care a fost deja utilizat este mercurul.
Al doilea caz: s 12> s 13. Unghiul pe care lichidul îl formează cu peretele vasului este j> 90 0. Lichidul se uda. Acest caz este prezentat în Figura IIX.24b. Un exemplu în acest sens este apa cu săpun.
Al treilea caz: Un echilibru este posibil numai dacă | s 13 - s 12 | 23 este.
Al patrulea caz: Dacă s 13 - s 12> s 23, lichidul se strecoară pe peretele vasului și îl udă complet. Această proprietate are de ex. Ulei pătrunzător.
Umectarea diferită a suprafețelor cu lichide înseamnă că lichidele din vasele înguste își asumă un nivel diferit față de lichidul din afara vasului. Această proprietate se numește capilaritate.
Să luăm în considerare această consecință a tensiunii interfațiale într-un experiment de gândire:
Un lichid crește într-un tub îngust cu raza r în jurul piesei h. Suprafața face parte dintr-o carcasă sferică cu raza R. Această rază R corespunde doar unui unghi de umectare foarte mic j în cazul limitativ .
Din experimentul cu bula de săpun, știm că reducerea suprafeței creează presiune. Presiunea suprafeței lichide curbate este
Următoarele se aplică unghiului de incidență j al lichidului de pe perete
Deci, urmează pentru imprimare
În echilibru, gravitația și tensiunea superficială sunt în echilibru:
Dacă se rezumă r/cos j la r ', urmează
Pentru cazul limitativ j = 0, se citește legea capilară
Înălțimea de ridicare este, prin urmare, invers proporțională cu raza conductei.
s este tensiunea superficială a lichidului împotriva aerului. Pentru lichidele care nu umezesc, presiunea funcționează în direcția opusă: nivelul lichidului este împins în jos. În acest caz se vorbește despre o „depresie capilară”
Să analizăm acum două experimente despre legea capilarelor.
În acest experiment, cinci țevi cu raze diferite sunt scufundate la fel de adânc într-un lichid. Datorită acțiunii capilare, apa crește în conducte. Se poate observa că lichidul crește mai sus în tuburile cu raze mai mici. Dacă te uiți la o țeavă cu un diametru de doi milimetri și una cu un diametru de un milimetru, vezi relația inversă dintre înălțimea ascensiunii și diametrul țevii ca fiind adevărată: în conducta mai subțire apa este de două ori mai mare.
Într-un alt experiment, considerăm o pană din sticlă:
Așa cum era de așteptat, vedem o creștere a hiperbolului în apă; cu cât distanța dintre plăci este mai mică, cu atât crește apa. Mercurul, pe de altă parte, nu este umed, deoarece distanța dintre plăci scade, înălțimea de creștere scade, de asemenea.