Nem nedvesítő folyadékokhoz ...
IIX.13. Kísérlet: emelkedés a kapillárisokban
Ebben a fejezetben a felületi feszültség levezetett fogalmát akarjuk általánosítani. Eddig csak egy folyadék felületi feszültségét vettük figyelembe a levegővel, pontosabban vákuummal szemben, most azt feltételezzük, hogy az interfészt általában két közeg, az 1-es közeg a 2-es közeggel fedi le. Ilyen kapcsolódási pont van például két folyadék, folyadék és szilárd anyag vagy folyadék és gáz között. Annak érdekében, hogy azonosítsuk a közeget, amely között az interfész létezik, két s 12 mutatóval jelöljük a felületi feszültséget. Ez a felületi feszültség most azt a feszültséget jelöli, amely az 1. felülettől a 2. felületig hat. A felületi feszültség annak az energiának a mértéke, amelyet ki kell tölteni vagy el kell nyerni, amikor az 1. és 2. közeg közötti interfészen változtatnak.
Ha a felületi feszültség nagyobb, mint 0, akkor a 2. táptalajban lévő felületi molekula erősebben vonzódik a saját közegéhez, azaz a 2. közeghez, mint az 1. közeghez.
Ha viszont a felületi feszültség negatív, akkor a felületi molekulák erősebben vonzódnak az 1. közeghez, mint a 2. közeghez. Ebben az esetben az interfész megpróbálja maximalizálni önmagát.
Ha két folyadék között van interfész, akkor a keverés lehetséges.
Ezt a jelenséget csak egy példában vesszük figyelembe. Ennek érdekében megvizsgáljuk, hogy a felületi feszültség hogyan hat egy folyadék felületén az érfal gázfázisával szemben
Az első ábra a folyadék és a gáz érintkezését mutatja az edény falán, ahol a felületi feszültség pozitív.
Most a 3 közeg közötti határvonal d l egyenes elemét vesszük figyelembe; 3 erő hat erre a határvonalra:
F 13 = s 13 d l és F 12 = s 12 d l egy cselekvési vonalban fekszik, de ellentétesek. Az ebben az irányban ható F 23 = s 23 d l erőösszetevőt a koszinusz segítségével számítják ki.
S 12> 0 esetén mind a 3 erő megpróbálja csökkenteni a kapcsolódó felületet. Az egyensúlyban az érfalra a következők vonatkoznak
A felületi feszültségek négy különböző módon kapcsolódnak egymáshoz:
1. eset: s 12 s 13. Az a szög, amelyet a folyadék az edény falával alkot, j 0. A folyadék nem nedvesít. Ezt az esetet a IIX.24a. Ábra mutatja. Egy már használt példa a higany.
2. eset: s 12> s 13. A folyadéknak az edény falával képzett szöge j> 90 0. A folyadék nedvesedik. Ezt az esetet a IIX.24b. Ábra mutatja. Erre példa a szappanos víz.
3. eset: Egyensúly csak akkor lehetséges, ha | s 13 - s 12 | 23 van.
4. eset: Ha s 13 - s 12> s 23, a folyadék felkúszik az érfalra és teljesen megnedvesíti. Ez a tulajdonság például áthatoló olajat tartalmaz.
A felületek folyadékokkal való különböző nedvesítése azt jelenti, hogy a keskeny edényekben lévő folyadékok más szintet vesznek fel, mint az edényen kívüli folyadék. Ezt a tulajdonságot kapillaritásnak nevezzük.
Vizsgáljuk meg az interfaciális feszültség ezt a következményét egy gondolati kísérletben:
A h darab körül egy folyadék emelkedik egy keskeny r sugarú csőben. A felület egy R sugarú gömbhéj részét képezi. Ez az R sugár korlátozó esetben csak egy nagyon kicsi j nedvesítési szögnek felel meg .
A szappanbuborékkal végzett kísérletből tudjuk, hogy a felület csökkenése nyomást okoz. Az ívelt folyadék felületének nyomása
A következő a folyadék j beesési szögére vonatkozik a falon
Tehát ez következik a nyomtatáshoz
Az egyensúlyban a gravitáció és a felületi feszültség egyensúlyban vannak:
Ha valaki összefoglalja r/cos j-t r'-re, ez következik
A j = 0 korlátozó eset esetében a kapilláris törvény így szól
Az emelkedés magassága tehát fordítottan arányos a cső sugarával.
s a folyadék felületi feszültsége a levegővel szemben. Nem nedvesítő folyadékok esetén a nyomás ellentétes irányban működik: a folyadék szintjét lefelé tolják. Ebben az esetben „kapilláris depresszióról” beszélünk
Vegyünk most két kísérletet a kapillárisok törvényére.
Ebben a kísérletben öt különböző sugarú csövet egyformán mélyen egy folyadékba merítenek. A kapilláris működés miatt a víz felemelkedik a csövekben. Megfigyelhető, hogy a folyadék magasabbra emelkedik a kisebb sugarú csövekben. Ha megnézünk egy két milliméter átmérőjű és egy milliméter átmérőjű csövet, akkor az emelkedés magassága és a cső átmérője közötti fordított összefüggés igaz: a vékonyabb csőben a víz kétszer olyan magas.
Egy másik kísérletben üvegből készült éket veszünk figyelembe:
A vízben a várakozásoknak megfelelően emelkedő hiperbola látható; minél kisebb a lemezek közötti távolság, annál magasabbra emelkedik a víz. A higany viszont nem nedvesít, mivel a lemezek közötti távolság csökken, az emelkedés magassága is csökken.