Капиллярные явления

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, совокупность явлений, обусловленных поверхностным натяжением на границе раздела несмешивающихся сред (в системах жидкость - жидкость, жидкость - газ или пар) при наличии искривления поверхности. Частный случай поверхностных явлений.

При отсутствии силы тяжести жидкость ограниченной массы под воздействием поверхностного натяжения стремится занять объём с минимальной поверхностью, т. е. принимает форму шара. В условиях действия силы тяжести не слишком вязкая жидкость достаточной массы принимает форму сосуда, в который налита, и её свободная поверхность при относительно большой площади (вдали от стенок сосуда) становится плоской, так как роль поверхностного натяжения менее существенна, чем силы тяжести. При взаимодействии с поверхностью другой жидкости или твёрдого тела (например, со стенками сосуда) поверхность рассматриваемой жидкости искривляется в зависимости от наличия или отсутствия смачивания. Если имеет место смачивание, т. е. молекулы жидкости 1 (рис. 1) сильнее взаимодействуют с молекулами поверхности 3, чем с молекулами другой жидкости (или газа) 2, то под воздействием разности сил межмолекулярного взаимодействия жидкость 1 поднимается по стенке сосуда - участок жидкости, примыкающий к стенке, искривляется. Давление, вызываемое подъёмом жидкости, уравновешивается капиллярным давлением ∆р - разностью давлений над и под искривлённой поверхностью раздела. Величина капиллярного давления зависит от среднего радиуса r кривизны поверхности и определяется формулой Лапласа: ∆р = 2σ/r, где σ - поверхностное натяжение. Если граница раздела фаз плоская (r = ∞), то в условиях механического равновесия системы давления с обеих сторон границы раздела равны и ∆р = 0. В случае вогнутой поверхности жидкости (r < 0) давление в жидкости ниже, чем давление в граничащей с ней фазе и ∆р < 0; для выпуклой поверхности (r > 0) ∆р > 0.

Если стенки сосуда приблизить друг к другу, зоны искривления поверхности жидкости образуют мениск - полностью искривлённую поверхность. Образовавшаяся система называется капилляром; в нём в условиях смачивания давление под мениском понижено и жидкость в капилляре поднимается (над уровнем свободной поверхности жидкости в сосуде); вес столба жидкости высотой h уравновешивает капиллярное давление ∆р. Несмачивающая жидкость в капилляре образует выпуклый мениск, давление над которым выше, и жидкость в нём опускается ниже уровня свободной поверхности вне капилляра. Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре относительно свободной поверхности (где r = ∞ и ∆р = 0) определяется соотношением: h = 2σcosθ/∆pgr, где θ - краевой угол (угол между касательной к поверхности мениска и стенкой капилляра), ∆р - разность плотностей жидкости 1 в капилляре и внешней среды 2, g - ускорение свободного падения.

Искривление поверхности влияет на условия равновесия между жидкостью и её насыщенным паром: согласно Кельвина уравнению, давление паров над каплей жидкости повышается с уменьшением её радиуса, что объясняет, например, рост больших капель в облаках за счёт малых.

К характерным капиллярным явлениям относятся капиллярное впитывание, появление и распространение капиллярных волн, капиллярное передвижение жидкости, капиллярная конденсация, процессы испарения и растворения при наличии искривлённой поверхности. Капиллярное впитывание характеризуется скоростью, зависящей от капиллярного давления и вязкости жидкости. Оно играет существенную роль в водоснабжении растений, движении воды в почвах и других процессах, связанных с движением жидкостей в пористых средах. Капиллярная пропитка - один из распространённых процессов химической технологии. В системах с непараллельными стенками (или капиллярах конического сечения) кривизна менисков зависит от расположения в них граничных поверхностей жидкости, и капля смачивающей жидкости в них начинает двигаться к мениску с меньшим радиусом (рис. 2), т. е. в ту сторону, где давление ниже. Причиной капиллярного передвижения жидкости может служить и разница сил поверхностного натяжения в менисках, например при существовании градиента температуры или при адсорбции поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение.

Капиллярной конденсацией называют процесс конденсации пара в капиллярах и микротрещинах пористых тел, а также в промежутках между сближенными твёрдыми частицами или телами. Необходимое условие капиллярной конденсации - наличие смачивания поверхности тел (частиц) конденсирующейся жидкостью. Процессу капиллярной конденсации предшествует адсорбция молекул пара поверхностью тел и образование менисков жидкости. В условиях смачивания форма менисков вогнутая и давление р насыщенного пара над ними ниже, чем давление насыщенного пара р₀ при тех же условиях над плоской поверхностью. Т. е. капиллярная конденсация происходит при более низких, чем р₀, давлениях.

Искривление поверхности жидкости может существенно влиять на процессы испарения, кипения, растворения, зародышеобразования при конденсации пара и кристаллизации. Так, свойства систем, содержащих большое количество капель или пузырьков газа (эмульсий, аэрозолей, пен), и их формирование во многом определяются капиллярными явлениями. Они лежат также в основе многих технологических процессов: флотации, спекания порошков, вытеснения нефти из пластов водными растворами поверхностно-активных веществ, адсорбционного разделения и очистки газовых и жидких смесей и т. п.

Впервые капиллярные явления были исследованы Леонардо да Винчи. Систематического наблюдения и описания капиллярные явления в тонких трубках и между плоскими, близко расположенными стеклянными пластинами провёл в 1709 Ф. Хоксби, демонстратор Лондонского королевского общества. Основы теории капиллярных явлений заложены в трудах Т. Юнга, П. Лапласа, а их термодинамическое рассмотрение осуществил Дж. Гиббс (1876).

Лит.: Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М., 1979; Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. М., 1986.