Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В районе примыкания поверхности жидкости к стенке капил­лярной трубки возможны следующие основные варианты взаимодей­ствия:

а) если взаимное притяжение молекул жидкости велико в сравне­нии с силой взаимного притяжения молекул жидкости и стенки ка­пилляра, то стенка жидкостью не смачивается, мениск (изогнутая по­верхность жидкости) имеет выпуклую форму;

б) если взаимное притяжение молекул жидкости и стенки капил­ляра выше, чем притяжение молекул жидкости друг к другу, то стен­ка жидкостью смачивается, мениск имеет вогнутую форму.

Силы взаимного притяжения молекул на поверхности жидкости условно называют силами поверхностного натяжения (сцепления, коге­зии). Эти силы стремятся сократить до минимума величину поверх­ности жидкости так, как будто жидкость обтянута некоторой вообра­жаемой упругой пленкой.

Силой поверхностного натяжения FIIH называют силу, действующую на периметр поверхности жидкости и направленную по нормали к пе­риметру и по касательной к самой поверхности. Если поверхность жидкости плоская, то силы F„„ лежат в одной плоскости и их рав­нодействующая равна нулю. Чем больше кривизна поверхности, тем величина равнодействующей выше. Равнодействующая направлена к центру кривизны.

Коэффициентом поверхностного натяжения о (Н/м) называют силу поверхностного натяжения, действующую на единицу длины пери­метра поверхности жидкости:

где Я’ — длина периметра поверхности, м.

(5.9)

F= 2 аЯ'(sin а, + sin а2),

где /’—равнодействующая сил поверхностного натяжения, Н; а! и аз — углы между вектором равнодействующей силы и радиусами кри­визны поверхности Л, и /?2 соответственно.

Или приближенно

(5.10)

Ж

Обозначим

где /—площадь проекции поверхности жидкости на плоскость, нор­мальную линии действия силы Р.

Примем приближенно /=(Н’)2, тогда

<512)

где АР — капиллярное давление, Па; Л, и R2 — радиусы кривизны; величины алгебраические: если центр кривизны О нормального сече­ния находится под поверхностью жидкости, то радиус положителен, если над поверхностью жидкости, то радиус отрицателен.

Выражение (5.12) называют формулой Лапласа. Для плоской по­верхности /?, = /?2 АР= 0. Для сферической поверхности жидко­сти Rt = R2 = RM,

ко 2ст

АР = ^~. (5.13)

-*’м

Поверхностным натяжением, кроме жидкостей, обладают и твер­дые тела. Если граничат друг с другом сразу три вещества (что и наблюдается в капиллярной трубке) — твердое (т), жидкое (ж) и га­зообразное (г), то следует учитывать поверхностное натяжение на границе этих трех тел.

Ф-г. г ~ Фт. ж Ф-г. г ~ От. ж

COS(p= = 5—— ’ <5Л4>

где ф — краевой угол, или угол смачивания, отсчитываемый внутри жидкости между касательными, проведенный к поверхности твердого тела и поверхности жидкости; на границе вода — стекло ф = 0°, ртуть — стекло ф = 140°; атт, атж, ож г = о — коэффициенты поверхностного на­тяжения на границах твердое тело — газ, твердое тело — жидкость и жидкость —газ соответственно.

Уравнение (5.14) называют формулой Юнга. Она не справедлива в двух случаях: при ф = 0 (полное смачивание) и при ф = л (полное не — смачивание).

Приравнивая вес жидкости в капилляре и равнодействующую сил поверхностного натяжения, получим

, 2 ст 2а cos ф

А = —— = -, (5.15)

pg«M pgr

где А —высота капиллярного поднятия (опускания) жидкости, изме­ряемая по вертикали, м; величина алгебраическая, имеет знак поло­жительный — при поднятии жидкости, отрицательный — при опуска­нии; Ям — радиус мениска жидкости, м; г —радиус капилляра, м.

Уравнение (5.15) называют формулой Жюрена.

Значения коэффициента поверхностного натяжения для воды на границе с воздухом приведены ниже. Для нефти (при /=20°С)

о = 0,26 Н/м, для ртути (при /=25°С) а = 0,465 Н/м, для этилового спирта (при /=20°С) а = 0,0228 Н/м.

Температура /, °С Коэффициент поверхностного натяжения о, Н/м

0 ……………………………………………………… 0,0755

10 ………………………………………………………. 0,0744

20 ………………………………………………………. 0,07288

50 ………………………………………………………. 0,06777

100 …………………………………………………….. 0,05891

200 …………………………………………………….. 0,03777

300 …………………………………………………….. 0,01429

374,12 ………………………………………………… 0

Вещества, уменьшающие величину коэффициента поверхностно­го натяжения, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). Некоторые вещества (сахара, соли) увеличивают величину а.

Комментарии запрещены.