МКТ и поверхностные явления

Опустим край бумажного полотенца в воду. Мокрая граница ползёт вверх, хотя тяжесть тянет воду вниз. Кто поднимает воду и почему подъём когда-нибудь остановится?

Вспомни: газ легко сжать, а воду — трудно; при этом вода течёт, а лёд сохраняет форму. Одна модель связывает эти наблюдения: вещество состоит из частиц, они непрерывно движутся, притягиваются и отталкиваются. Это три положения молекулярно-кинетической теории. В жидкости частицы близки, но меняют соседей. Значит, объясняя форму воды, надо учитывать и подвижность частиц, и их взаимодействие.

Почему маленькая капля на свободном падении почти шарообразна? У частиц на поверхности иное окружение, чем внутри. Создание дополнительной поверхности требует энергии, поэтому при данном объёме жидкость стремится уменьшить её площадь. У шара площадь наименьшая. Это проявление поверхностного натяжения. Модель работает, пока тяжесть и внешние воздействия мало деформируют каплю: большую каплю на столе тяжесть заметно расплющивает.

Теперь положим одинаковые капли на чистое стекло и на воск. На стекле вода сильнее растекается, на воске собирается в каплю. Такое растекание называют смачиванием. При соприкосновении меняются границы между жидкостью, твёрдым телом и воздухом; итоговая форма зависит от взаимодействий на всех этих границах. Поэтому нельзя объявить воду «смачивающей вообще»: важны материал, чистота и состояние его поверхности.

Присмотрись к воде у стенки стакана: край поверхности приподнят. Искривлённая поверхность у стенки называется мениском. Вода смачивает чистое стекло, и поверхностные силы поддерживают изгиб, которому противодействует тяжесть. При несмачивании край, наоборот, опускается. Следовательно, форма мениска заранее подсказывает, ждать ли подъёма или понижения уровня в тонкой трубке.

Вставим узкую чистую стеклянную трубку в воду. У её стенок поверхностные силы имеют суммарную составляющую вверх и поднимают жидкость. Но с высотой увеличиваются масса и вес поднятого столбика. Подъём заканчивается, когда вес уравновешивает поверхностное действие. Подъём или опускание жидкости в тонких каналах называют капиллярным явлением. Равновесие не останавливает теплового движения отдельных частиц.

Почему более тонкая трубка поднимает воду выше? При уменьшении радиуса вдвое длина границы со стенкой уменьшается вдвое, а площадь сечения столбика — вчетверо. Поверхностная сила убывает медленнее, чем вес столбика прежней высоты, поэтому равновесие достигается выше. Высота h, измеряемая в метрах, — вертикальная разность уровней в трубке и широком сосуде. Сравнение верно при одинаковых жидкости, смачивании и температуре.

Полотенце заменяет одну трубку множеством извилистых узких промежутков между волокнами. Если вода смачивает волокна, она распространяется по этим каналам, в том числе вверх. Так объясняется начальное наблюдение и часть движения воды в пористой почве. В растении капиллярность тоже участвует, но модель одной трубки недостаточна для высокого дерева: там существенны испарение с листьев и непрерывность водяных столбов.

Две чистые стеклянные трубки погружены в одну воду. Одна вдвое уже по радиусу. В какой вода поднимется выше при равновесии?

Обе трубки содержат одну воду и имеют чистые стеклянные стенки. Сравниваем только радиусы, сохраняя температуру и смачивание.

У вдвое более узкой трубки граница со стенкой короче вдвое, а площадь столбика меньше вчетверо. Поэтому поверхностное действие относительно веса столбика той же высоты сильнее.

Чтобы вес уравновесил это действие, в узкой трубке вода должна подняться выше. Для идеальных тонких круглых капилляров высота обратно пропорциональна радиусу.

В более узкой трубке подъём выше: меньший вес на единицу высоты позволяет удержать более высокий столбик.

Капля и мениск приобретают форму из-за взаимодействия частиц и стремления уменьшить энергию поверхности.

Смачивание относится к сочетанию жидкости и поверхности; загрязнение может изменить результат.

В капилляре вода поднимается до равновесия поверхностных сил и веса, а не вопреки закону сохранения энергии.

Тепловое движение зависит от температуры. Дальше отличим температуру от всей внутренней энергии тела.