Капіляр (фізика)

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Капіляр.

Капіля́р (від лат. capillaris — волосяний) — трубка з вузьким внутрішнім каналом. З капілярами пов'язані так звані капілярні явища.

Капілярний ефект у тонких трубках різної товщини й з різним змочуванням

Загальний опис

Якщо помістити один кінець вузької трубки (капіляр) у широку посудину, наповнену рідиною, то внаслідок змочування або незмочування рідиною стінок капіляра кривина поверхні рідини в капілярі стає значною. Якщо рідина змочує матеріал капіляра, то всередині його поверхня рідини (меніск) має увігнуту форму, а рівень рідини всередині капіляра є вищим від відкритої поверхні. Якщо рідина не змочує матеріал капіляра, то меніск має опуклу форму, а рівень рідини всередині капіляра є нижчим відносно відкритої поверхні.

Під увігнутою поверхнею рідини з'явиться від'ємний надлишковий тиск, у результаті рідина в капілярі піднімається, оскільки над плоскою поверхнею рідини в широкій посудині надлишковий тиск відсутній. Якщо рідина не змочує стінки капіляра, то позитивний надлишковий тиск приведе до опускання рідини в капілярі. Явища зміни висоти рівня рідини в капілярах називають капілярними явищами.

У 1717 році Ж. Журен відкрив закон підйому рідини в капілярних трубках, названий його ім'ям (). Обернено пропорційна залежність висоти підйому рідини в капілярах від діаметра капіляра була відома ще в 1670 році Дж. Бореллі. Закон Журена описується формулою:

${\displaystyle h={\frac {2\sigma \cos \theta }{r_{0}(\rho -\rho _{0})g}},}$

де h — висота підняття стовпа рідини;

${\displaystyle \theta }$ — кут змочування рідиною стінки капіляра;

g — прискорення вільного падіння;

${\displaystyle \rho }$ — густина рідини;

${\displaystyle \rho _{0}}$ — густина газової фази;

r₀ — радіус капіляра.

Формула отримана за допущення про те, що поверхня меніска є сферою, і може застосовуватись для випадків, коли висота підняття (опускання) рідини ${\displaystyle h}$ є набагато більшою за радіус капіляра ${\displaystyle r_{0}}$.

Чем меншим є радіус капіляра r₀, тим на більшу висоту піднімається в ній рідина. Висота підняття стовпа рідини зростає також із збільшенням коефіцієнта поверхневого натягу рідини.

При повній відсутності змочування ${\displaystyle \theta >90^{0},\cos \theta <0}$, і рівень рідини в капілярі опускається на величину h. При повному змочуванні ${\displaystyle \theta =0,\cos \theta =1}$, і радіус меніска дорівнює радіусу капіляра.

Рідина в капілярі піднімається або опускається на таку висоту h, при якій тиск стовпа рідини (гідростатичний тиск) ρgh врівноважується надлишковим тиском Δp величина, якого визначається залежно від поверхневого натягу законом Лапласа (1806).

${\displaystyle \Delta p=\sigma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right),}$

де:${\displaystyle \sigma }$ — коефіцієнт поверхневого натягу;

${\displaystyle R_{1}}$ і ${\displaystyle R_{2}}$ — головні радіуси кривини двох взаємно перпендикулярних нормальних перерізів поверхні.

Капілярні явища відіграють велику роль у природі й техніці. Наприклад, вологообмін у ґрунті й рослинах здійснюється за рахунок підняття води по як найтонших капілярах. На капілярності засновано дію ґнота, вбирання вологи бетоном, тощо.

Суперкапіляри

Суперкапіляри – пори й тріщини в гірських породах розміром 0,1 - 0,5 мм і більше, вода в яких пересувається під дією сили ваги.

Див. також

• Число капілярності
• Капіляр (біологія)

Примітки

1. «Капіляр» [ 21 січня 2017 у Wayback Machine.] в Академічному тлумачному словнику української мови в 11 томах. Т. 4, С. 93.

Література

• Физическая энциклопедия. Т.2. Гл.ред. А. М. Прохоров. М.:Сов.энциклопедия. 1988.
• Айвазов В. В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции.- М.: Высшая школа, 1973. — 206 с.
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — .