Капиллярный метод

Явления смачивания и несмачивания являются причиной капиллярных явлений, которые имеют большую практическую значимость. Суть их приведена ниже.

Если узкую трубку (капилляр) с открытыми концами поместить одним концом в жидкость, то вследствие явлений смачивания или несмачивания, речь о которых шла выше, поверхность жидкости в капилляре искривляется (рис. 9).

 

Рис. 9. Поведение жидкости в капиллярах

 

Причем радиус кривизны жидкости сравним с радиусом капилляра. Такая искривленная свободная поверхность жидкости в месте её соприкосновения с поверхностью твердого тела называется мениском. В зависимости от формы искривления жидкости мениск может быть вогнутым и выпуклым. Из-за действия межмолекулярных сил искривленная поверхность жидкости будет оказывать на жидкость добавочное давление. Если жидкость смачивает поверхность капилляра, то поверхность ее будет вогнутой (вогнутый мениск), а добавочное давление – отрицательным. Из-за разности давлений жидкость будет подниматься по капилляру до некоторой высоты h см. рис. 9, а).

В случае, если жидкость не смачивает капилляр, ее поверхность будет выпуклой (выпуклый мениск), добавочное давление – положительным, следовательно, уровень жидкости в капилляре будет ниже уровня жидкости снаружи (см. рис. 9, б).

Добавочное давление под искривленной поверхностью жидкости определяется по формуле

 

, (11)

где R – радиус кривизны поверхности жидкости.

Если жидкость в капилляре поднялась (или опустилась) до какого-то уровня h (см. рис. 9, а) и остановилась, значит, гидростатическое давление уравновешено добавочным давлением искривленной поверхности жидкости:

, (12)

где ρ – плотность жидкости.

Как мы видим, высота поднятия жидкости в капилляре связана с коэффициентом поверхностного натяжения. Это позволяет определять α по высоте поднятия жидкости.

Для определения поверхностного натяжения погрузим стеклянный капилляр в воду и измерим высоту h, на которую вода поднимется в капилляре.

Можно с хорошей точностью считать, что вода полностью смачивает стекло. При этом краевой угол равен 0⁰, а радиус кривизны поверхности жидкости равен радиусу капилляра r, который можно измерить с помощью микроскопа.

Следовательно,

. (13)