Капиллярные явления
1. Смачивание
Вспомним предыдущий урок, на котором мы рассматривали поверхностное натяжение жидкости. При этом мы говорили, что взаимодействием молекул жидкости, которые находятся в приповерхностном слое, с молекулами газа можно пренебречь, потому что концентрация молекул газа очень мала по сравнению с концентрацией молекул в жидкости.
Если жидкость граничит не с газом, а с твёрдым телом, взаимодействием молекул жидкости с молекулами твердого тела пренебрегать, конечно же, нельзя.
Более того, в некоторых случаях силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказываются большими, чем силы притяжения между молекулами самой жидкости. В этом случае говорят, что жидкость смачивает твердое тело (Рис. 1).
Рис. 1. Жидкость смачивает поверхность
Если же силы притяжения между молекулами жидкости больше сил притяжения молекул твердого тела и молекул жидкости, то говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела (Рис. 2).
Рис. 2. Жидкость не смачивает поверхность
Примером того, что жидкость смачивает поверхность, может служить то, как вода ведет себя на чистом стекле. Примером того, как поверхность не смачивается жидкостью, может служить то, как вода ведет себя на стекле, покрытом копотью или стеарином (Рис. 3).
Рис. 3. Вода смачивает чистое стекло (внизу). Вода не смачивает стекло, покрытое стеарином (вверху)
Введем параметр, характеризующий смачивание жидкостью вещества. Для этого нарисуем плоскую поверхность и каплю жидкости на ней (Рис. 4).
Краевой угол 
образуется плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к свободной поверхности жидкости, где граничит твердое тело, жидкость и газ (угол на Рис. 4). Причем, внутри краевого угла всегда находится жидкость. Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для несмачивающих – тупой.
Рис. 4. Определение краевого угла
Для того чтобы действие силы тяжести не искажало краевой угол, каплю нужно брать как можно меньше.
Обратим внимание на то, что поскольку краевой угол сохраняется не только для горизонтального, но и для вертикального расположения твердого тела, можно сделать вывод, что смачивающая жидкость у краев сосуда будет немного приподыматься (Рис. 5а), а несмачивающая жидкость – наоборот, немного опускаться (Рис. 5б).
Рис. 5. Смачивающая и несмачивающая жидкость в сосуде
Обратите внимание на границу соприкосновения жидкости и стенок сосуда (Рис. 6). Поверхность жидкости становится изогнутой. Такая изогнутая поверхность жидкости называется мениском (от греческого μηνισκος – серп луны). В смачивающих жидкостях жидкости имеют вогнутый мениск, а в несмачивающих – выпуклый (Рис. 5).
Рис. 6. Граница соприкосновения жидкости и стенок сосуда
2. Значение смачивания
Обсудим значение смачивания в промышленности и в быту. Для начала, рассмотрим знакомый всем бытовой пример – мытьё рук. Вы, конечно же, знаете, что мыть руки лучше тёплой водой и с мылом. Давайте разберемся почему. Если вы моете руки холодной водой, то следует понимать, что у воды достаточно большой коэффициент поверхностного натяжения, а это значит, что вода будет плохо смачивать ладони. Для того чтобы уменьшить коэффициент поверхностного натяжения воды, мы увеличиваем температуру воды (с увеличением температуры воды коэффициент поверхностного натяжения уменьшается), и пользуемся мылом, которое содержит поверхностно активные вещества, сильно уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения воды. Как результат, смачивание ладоней намного лучше.
Эффекты смачивания так же работают при использовании клея. Склеивание деревянных, резиновых, бумажных и других поверхностей тоже основано на взаимодействии между молекулами жидкости и молекулами твердого тела. Любой клей в первую очередь должен смачивать склеивающие поверхности.
Еще один пример – это пайка. Она тоже связана со свойствами смачивания. Чтобы расплавленный припой (сплав олова и свинца) хорошо растекался по поверхности спаиваемых металлических предметов, нужно эти поверхности тщательно очищать от жира, пыли и оксидов. Те из вас, кто занимался пайкой деталей на уроках труда, хорошо знают, что прежде чем что-либо паять, нужно очистить от нагара жало паяльника, иначе припой не будет к нему приставать.
Примером применения смачивания в живой природе могут служить перья водоплавающих птиц. Эти перья всегда смазаны жировыми выделениями из особых желез, что приводит к тому, что перья этих птиц не смачиваются водой. Толстый слой воздуха, запасаемый таким образом в перьях утки, служит хорошим теплоизолятором.
3. Капилляры
Действие поверхностного натяжения и эффектов смачивания наглядно проявляется в так называемых капиллярных явлениях (движении жидкости по тонким трубкам). Обратите внимание на то, как распределяется жидкость в сообщающихся сосудах различной толщины (Рис. 7). Из курса физики 7-го класса вы должны помнить, что в сообщающихся сосудах жидкость должна находиться на одинаковом уровне, однако, как вы видите на иллюстрации, в тонких сосудах жидкость поднимается выше. Давайте разберемся в причинах такого поведения.
Рис. 7. Сообщающиеся сосуды различной толщины
Для начала заметим, что смачивающая жидкость будет подниматься по капилляру, а несмачивающая – опускаться. Известно, что в случаях полного смачивания или несмачивания мениск в узких трубках представляет собой полусферу, радиус которой равен радиусу канала трубки. Вдоль границы поверхности жидкости, имеющей форму окружности, на жидкость со стороны стенок трубки действует сила поверхностного натяжения, направленная вверх в случае смачивающей жидкости, и вниз в случае несмачивающей. Эта сила заставляет жидкость подниматься (или опускаться) в узкой трубке.
4. Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках
Подъем жидкости по капилляру остановится тогда, когда сила поверхностного натяжения уравновесится силой тяжести, действующей на столб поднятой жидкости (Рис. 8).
Рис. 8. Условие того, что жидкость прекратила подниматься по капилляру
Давайте найдем, на какую высоту поднимется смачивающая жидкость в капиллярной трубке. Запишем условие того, что жидкость прекратила подниматься по капилляру, в виде второго закона Ньютона:
.
Теперь распишем каждую силу, входящую в это выражение. Сила поверхностного натяжения равна:
где 
– коэффициент поверхностного натяжения, 
– длина окружности, которую можно выразить через радиус капилляра 
. Сила тяжести равна:
где 
– плотность жидкости, 
– ускорение свободного падения, 
– объем столбика жидкости, который выражается через высоту столбика жидкости 
и радиус капилляра . В итоге получаем выражение:
,
откуда легко выражается высота поднятия жидкости
Отметим, что формула для высоты, на которую опустится несмачивающая капилляр жидкость, будет точно такой же.
5. Капиллярные явления в природе, быту и технике
Обсудим то, как распространены капиллярные явления в природе, в быту и в технике.
Самый распространенный пример капиллярного явления – это принцип работы обыкновенного полотенца или бумажной салфетки. Вода с рук уходит на полотенце или бумажную салфетку за счет подъема жидкости по тонким волокнам, из которых они состоят.
Второй пример – это горение свечки. Топливо поступает по фитилю за счет движения по волокнам фитиля, как по капиллярным трубкам.
В живых организмах, как вы знаете, именно капилляры являются важной частью кровоснабжения. Для растений крайне важно движение воды в почве. Почва имеет рыхлое строение, и между ее частицами находятся промежутки. Эти промежутки представляют собой капилляры, по которым вода снабжает растения необходимой влагой и питательными солями.
Пример из техники. Строителям приходится учитывать подъем влаги из почвы по порам строительных материалов. Если этого не учесть, то стены зданий отсыреют. Для защиты фундамента и стен от таких вод используют гидроизоляцию.