§ 3. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ НА ГРАНИЦЕ СРЕД: СМАЧИВАНИЕ И НЕСМАЧИВАНИЕ

• Борьба сил на границе двух фаз: В предыдущих темах мы рассматривали взаимодействие молекул одного и того же вещества (внутри твёрдого тела или капли жидкости). Однако в реальном мире вещества непрерывно соприкасаются друг с другом. На границе контакта жидкости с твёрдым телом разворачивается непрерывная «битва» молекулярных сил: силы взаимного притяжения между молекулами самой жидкости борются с силами их притяжения к молекулам твёрдой поверхности.

• Классический опыт с пружиной и пластинами:
  • Вода и стекло: Если положить стеклянную пластинку на поверхность воды и потянуть её вверх за прикреплённую пружину, то в момент отрыва нижняя грань пластины окажется мокрой. Это доказывает, что разрыв произошёл не между стеклом и водой, а между соседними слоями самой воды. Притяжение молекул воды к молекулам стекла оказывается сильнее, чем сцепление молекул воды между собой.
  • Ртуть и стекло: Если повторить аналогичный опыт со стеклянной пластинкой и чашей со ртутью, стекло оторвётся абсолютно сухим и чистым, без единого следа ртути. Притяжение молекул ртути друг к другу значительно сильнее, чем их притяжение к молекулам стекла.

• Физические условия явлений:
  • Смачивание: наблюдается, когда силы притяжения между молекулами твёрдого тела и жидкости больше сил взаимного притяжения молекул жидкости между собой ($F_{\text{внеш}} > F_{\text{внутр}}$). Жидкость стремится растечься по поверхности тончайшей плёнкой (вода на чистом стекле).
  • Несмачивание: наблюдается, когда силы сцепления между молекулами жидкости превосходят силы их притяжения к молекулам твёрдого тела ($F_{\text{внутр}} > F_{\text{внеш}}$). Жидкость минимизирует площадь соприкосновения, стягиваясь силами поверхностного натяжения в сплюснутые капли (ртуть на стекле, вода на парафине или жирной бумаге).

• Примеры в живой природе и экология:
  • Защита водоплавающих птиц: Перья уток и гусей обильно смазаны жировым секретом копчиковой железы. Вода не смачивает жирные поверхности и легко скатывается каплями, сохраняя сухую воздушную прослойку в пухе для плавучести и сохранения тепла.
  • Экологическая угроза нефтяных разливов: Нефть прекрасно смачивает оперение птиц. При авариях танкеров нефтяная плёнка мгновенно пропитывает перья и пух, птицы утяжеляются, теряют теплоизоляцию, не могут летать и гибнут от переохлаждения.
  • Дыхание растений: Воскообразный налёт на поверхности листьев (например, лотоса или капусты) предотвращает смачивание и не позволяет каплям дождя забивать устьица — микроскопические поры, через которые происходит газообмен и дыхание растений.

ФОРМА ПОВЕРХНОСТИ И МЕНИСК

• Искривление свободной поверхности у стенок: Вблизи твёрдых стенок сосуда свободная поверхность жидкости теряет плоскую форму из-за действия сил притяжения к материалу сосуда:
  • Вогнутый мениск: если жидкость смачивает стенки сосуда, её молекулы притягиваются к твёрдому телу и карабкаются вверх по стенке. Края жидкости приподнимаются, образуя вогнутую поверхность (вода в стеклянном стакане).
  • Выпуклый мениск: если жидкость не смачивает стенки сосуда, молекулы жидкости отталкиваются от стенок внутрь объёма. Края жидкости опускаются книзу, образуя выпуклую поверхность (ртуть в стеклянном сосуде).

КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ЗАКОН ПОДЪЁМА ЖИДКОСТИ

• Что такое капилляр: Капилляры — это очень узкие трубки с внутренним диаметром порядка миллиметра и менее (соизмеримым с радиусом кривизны мениска). В такой узкой трубке искривлённой оказывается абсолютно вся свободная поверхность столбика жидкости.

• Поведение жидкостей в капиллярах:
  • Смачивающая жидкость: самопроизвольно поднимается по капилляру на заметную высоту выше общего уровня жидкости в широком сосуде (вода в стеклянной трубке).
  • Несмачивающая жидкость: опускается в капилляре ниже уровня в окружающем сосуде (ртуть в стеклянной трубке).
  • Явления подъёма или опускания жидкости в узких трубках и тонких порах называют капиллярными явлениями.

• От чего зависит высота столбика:
  • Радиус капилляра: чем тоньше трубка, тем выше поднимается смачивающая жидкость (высота подъема обратно пропорциональна радиусу канала).
  • Род жидкости: зависит от коэффициента поверхностного натяжения и плотности жидкости (чем больше поверхностное натяжение и меньше плотность, тем выше взлетает столбик).

КАПИЛЛЯРЫ В ПРИРОДЕ, СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И БЫТУ

• Жизнеобеспечение растений: Тончайшие капиллярные сосуды древесины и стеблей непрерывно тянут почвенную воду с растворёнными минеральными солями от корней к верхушкам деревьев на высоту в десятки метров вопреки силе тяжести.

• Агрономия и «сухой полив»: В слежавшейся, плотной почве образуется густая сеть вертикальных микрокапилляров. По ним грунтовая вода поднимается к самой поверхности земли и быстро испаряется на ветру и солнце, иссушая корни. Боронование и рыхление почвы разрушают верхнюю сеть капилляров, запирая живительную влагу глубоко в корнеобитаемом слое.

• Быт, строительство и технологии:
  • Впитывание жидкостей: Пористая структура салфеток, хлопчатобумажных полотенец, марли и промокательной бумаги пронизана капиллярами, мгновенно втягивающими влагу.
  • Письмо и окрашивание: Капиллярная подача чернил к кончику перьевой или капиллярной ручки; проникновение красителей в структуру волокон при крашении тканей.
  • Строительная гидроизоляция: Кирпич, бетон и дерево имеют пористую структуру. Чтобы грунтовая сырость не поднималась по фундаменту в стены жилых домов, строители прокладывают слой несмачиваемой гидроизоляции (толь, рубероид, битумные мастики) и обрабатывают поверхности влагозащитными грунтовками.