Реферат Капілярні явища та їх вивчення (реферат)


СкачатиСкачать (DOC|ZIP):
Капілярні явища та їх вивчення (реферат)

Реферат

на тему:

Капілярні явища та їх вивчення

Вступ

Якщо скляна трубка, настільки ж вузька усередині, як волосся (лат. capillus), занурюється у воду, то рідина піднімається усередині трубки до висоти більшої, ніж зовні. Ефект не малий: висота підняття близько 3 див у трубці з каналом у 1 мм. Це удаване порушення законів гідростатики (листівці яких було досягненням науки XVII в.) викликало на порозі XVIII в. зростаючий інтерес до капілярних явищ. Інтерес був двояким. По-перше, хотілося бачити, чи можна охарактеризувати поверхні рідин і твердих тіл деякою простою механічною властивістю, таким, як стан натягу, що могло б пояснити явища, що спостерігаються. Випливало пояснити, наприклад, чому вода в трубці піднімається, тоді як ртуть опускається; чому підняття води між рівнобіжними пластинами вдвічі менше, ніж у трубці з діаметром, рівним відстані між пластинами; чому підняття назад пропорційне цьому діаметру. Друга причина інтересу походила з розуміння того, що спостерігалися ефекти, що повинні виникати в результаті дії сил між частками речовини, і що вивчення цих ефектів, отже, повинне дати якісь зведення про такі сили і, можливо, про самі частки.

До появи теорій Юнга і Лапласа.

Першовідкривачем капілярних явищ вважається Леонардо да Вінчі (Leonardo da Vinci). Однак перші акуратні спостереження капілярних явищ на трубках і скляних пластинках були пророблені Френсисом Хоксбі в 1709 році).

Те, що речовина не є нескінченно діленим і має атомну чи молекулярну структуру, було робочою гіпотезою для більшості вчених починаючи з XVIII в. До кінця XIX в., коли група фізиків, прихильників позитивістської філософії, указала, яким непрямим був доказ існування атомів, на їхню заяву пішла лише незначна реакція, і в підсумку їхнього заперечення не були спростовані до початку цього сторіччя. Якщо в ретроспективі до сумніви здаються нам безпідставними, ми повинні пам'ятати, що майже усі, хто тоді вірив в існування атомів, вірили також твердо в матеріальне існування електромагнітного ефіру, а в першій половині XIX в. — часто і теплорода. Проте вчені, які внесли найбільший внесок у теорію газів і рідин, використовували припущення (звичайно в явній формі) про дискретну структуру речовини. Елементарні частки матерії називали атомами, чи молекулами (наприклад, Лаплас), чи просто частками (Юнг), але ми будемо випливати сучасним поняттям і вживати слово “молекула” для елементарних часток, що складають газ, чи рідину тверде тіло.

На початку XIX в. сили, що могли б існувати між молекулами, були так само не ясні, як і самі частки. Єдиною силою, у відношенні якої не було сумніву, була ньютонівська гравітація. Вона діє між небесними тілами і, мабуть, між одним таким тілом (Землею) і іншим (наприклад, яблуком), що має лабораторну масу; Кавендіш незадовго до цього показав, що вона діє і між двома лабораторними масами, а тому передбачалося, що вона діє також між молекулами. У ранніх роботах по рідинах можна знайти маси молекул і щільності мас, що входять у рівняння, у яких ми тепер повинні писати числа молекул і щільності чисел молекул. У чистій рідині всі молекули мають однакову масу, так що це розходження не грає ролі. Але ще до 1800 р. було ясно, що поняття про гравітаційні сили недостатньо для пояснення капілярних явищ і інших властивостей рідин. Підняття рідини в скляній трубці не залежить від товщини скла (за даними Хоксби , 1709 р.), і, таким чином, тільки сили з боку молекул у поверхневому шарі скла діють на молекули в рідині. Гравітаційні ж сили лише назад пропорційні квадрату відстані і, як було відоме, діють вільно через проміжну речовину.

Природа міжмолекулярних сил, відмінних від сил тяжіння, була дуже неясної, але у вигадництвах не було недоліку. Священик-єзуїт Роджер Боскович (Ruggero Giuseppe Boscovich) думав, що молекули відштовхуються на дуже малих відстанях, притягаються при трохи великих відстанях і потім у міру збільшення відстані демонструють поперемінно відштовхування і притягання з усі зменшуваною величиною. Його ідеї в наступному сторіччі вплинули як на Фарадея, так і на Кельвіна, але були занадто складними, щоб виявитися безпосередньо корисними для тих, хто займався теорією капілярності. Останні розсудливо задовольнялися простими гіпотезами.

Клеро був одним з перших, хто показав необхідність прийняття в увагу притягання між частками самої рідини для пояснення капілярних явищ. Він, однак, не визнавав, що відстані, на яких діють ці сили, невідчутно малі.

У 1751 р. фон Сегнер увів важливу ідею поверхневого натягу за аналогією з механічним натягом мембрани в теорії пружності. Сьогодні поняття поверхневого натягу є пересічним, з його звичайно починають вивчення капілярних сил і поверхневих явищ у навчальних закладах.

Ця ідея стала ключовий надалі розвитку теорії. Власне, тим самим був зроблений перший крок у вивченні явища — уведене феноменологічне поняття, що описує макроскопічне поводження системи. Другий крок — це висновок феноменологических понять і обчислення значень величин, виходячи з молекулярної теорії. Цей крок має величезну важливість, тому що є перевіркою правильності тієї чи іншої молекулярної теорії.

У 1802 р. Джон Лесли привів перше коректне пояснення підйому рідини в трубці, розглядаючи притягання між твердим тілом і тонким шаром рідини на його поверхні. Він, на відміну від більшості попередніх дослідників, не припускав, що сила цього притягання спрямована нагору (безпосередньо для підтримки рідини). Навпроти, він показав, що притягання усюди нормальне до поверхні твердого тіла.

Прямий ефект притягання — збільшення тиску в шарі рідини, що знаходиться в контакті з твердим тілом, так, що тиск стає вище, ніж усередині рідини. Результатом цього є те, що шар прагне “розтектися” по поверхні твердого тіла, що зупиняється лише силами гравітації. Таким чином, скляна трубка, занурена у воду, змочується водою усюди, куди та “змогла доповзти”. Піднімаючи, рідина утворить стовп, вагу якого зрештою врівноважує силу, що породжує розтікання рідини.

Ця теорія не була записана за допомогою математичних символів і тому не могла показати кількісний зв'язок між притяганням окремих часток і кінцевим результатом.

Теорії Юнга і Лапласа.

У 1804 р. Томас Юнг [7] обґрунтував теорію капілярних явищ на принципі поверхневого натягу. Він також спостерігав сталість кута змочування рідиною поверхні твердого тіла (крайового кута) і знайшов кількісне співвідношення, що зв'язує крайовий кут з коефіцієнтами поверхневого натягу відповідних межфазних границь. У рівновазі контактна лінія не повинна рухатися по поверхні твердого тіла, а виходить, говорив

(1)

де σSV, σSL, σLV — коефіцієнти поверхневого натягу межфазних границь тверде тіло – газ (пара), тверде тіло – рідина, рідина – газ відповідно, θ — крайовий кут. Це співвідношення тепер відоме як формула Юнга. Ця робота все-таки не зробила такого впливу на розвиток науки в цьому напрямку, яке зробила вишедшая декількома місяцями пізніше стаття Лапласа (Pierre Simon Laplace). Це, очевидно, зв'язане з тим, що Юнг уникав використання математичних позначень, а намагався описувати всі словесно, отчого його робота здається заплутаної і неясною. Проте він вважається сьогодні одним із засновників кількісної теорії капілярності.

Явища когезії й адгезії , конденсація пари в рідину, змочування твердих тіл рідинами і багато інших простих властивостей речовини — усі вказувало на наявність сил притягання, у багато разів більш сильних, чим гравітація, але діючих тільки на дуже малих відстанях між молекулами. Як говорив Лаплас, єдина умова, що випливає з явленийЕЪ, що спостерігаються, що накладається на ці сили, полягає в тому, що вони “невідчутні на відчутних відстанях”.

Сили відштовхування створювали більше турбот. Їхня наявність не можна була заперечувати — вони повинні врівноважувати сили притягання і перешкоджати повному руйнуванню речовини, але їхня природа була зовсім неясною. Питання ускладнювалося двома наступними помилковими думками. По-перше, часто вважалося, що діючою силою відштовхування є тепло (як правило, думка прихильників теорії теплорода), оскільки (така була аргументація) рідина при нагріванні спочатку розширюється і потім кипить, так що молекули роз'єднуються на набагато більші відстані, чим у твердому тілі. Друга помилкова думка виникла з представлення, що веде назад до Ньютона, відповідно до якого тиск газу, що спостерігається, відбувається внаслідок статичного відштовхування між молекулами, а не через їхні зіткнення зі стінками судини, як марне доводив Даниель Бернуллі.

На цьому тлі було природно, що перші спроби пояснити чи капілярність узагалі зчеплення рідин ґрунтувалися на статичних аспектах речовини. Механіка була теоретичною галуззю, що розуміється добре, науки; термодинаміка і кінетична теорія були ще в майбутньому. У механічному розгляді ключовим було припущення про великий, але короткодействующих силах притягання. Спочиваючі рідини (у чи капілярній чи трубці поза нею) знаходяться, мабуть, у рівновазі, а тому ці сили притягання повинні врівноважуватися силами відштовхування. Оскільки про неї можна було сказати ще менше, ніж про сили притягання, їх часто обходили мовчанням, і, говорячи словами Релея, “силам притягання надавалося виконувати немислимий трюк зрівноважування самих себе”. Лаплас першим задовільно розв'язав цю проблему [8], думаючи, що сили відштовхування (теплові, як він допускав) можна замінити внутрішнім тиском, що діє повсюдно в нестисливій рідині. (Це припущення приводить часом до невизначеності в роботах XIX в. у відношенні того, що строго розуміється під “тиском у рідині”.) Приведемо розрахунок внутрішнього тиску по Лапласові. (Цей висновок ближче до висновків Максвелла [2] і Релея [10]. Висновок приводиться по [9] .)

Воно повиннео врівноважувати сили зчеплення в рідині, і Лаплас ототожнював це із силою на одиницю площі, що чинить опір поділу нескінченного рідкого тіла на два роз'єднува далеко напівнескінченних тіла, обмежених плоскими поверхнями. Приведений нижче висновок ближче до висновків Максвелла і Релея, чим до оригінальної форми Лапласа, але істотного розходження в аргументації немає.

Розглянемо два напівнескінченних тіла рідини зі строго плоскими поверхнями, розділені прошарком (товщини l) пари з пренебрежимо малою щільністю (мал. 1), і в кожнім з них виділимо елемент обсягу. Перший знаходиться у верхнім тілі на висоті r над плоскою поверхнею нижнього тіла; його обсяг дорівнює dxdydz. Другий знаходиться в нижнім тілі і має обсяг , де початок полярних координат збігається з положенням першого елементарного обсягу. Нехай f(s) — сила, що діє між двома молекулами, розділеними відстанню s, а d - радіус її дії. Оскільки це завжди сила притягання, маємо

Якщо ρ — щільність числа молекул в обох тілах, те вертикальна складова сили взаємодії двох елементів обсягу дорівнює

(2)

Повна сила притягання, що приходиться на одиницю площі (позитивна величина), є

(3)

Нехай u(s) — потенціал межмолекулярной сили:

(4)

(5)

Рис. 1.

Інтегруючи вроздріб ще раз, одержуємо

(6)

Внутрішній тиск Лапласа K є сила притягання на одиницю площі між двома плоскими поверхнями при їхньому контакті, тобто F(0):

(7)

де — елемент обсягу, якому можна записати як . Оскільки u(r) по припущенню усюди чи негативно дорівнює нулю, то K позитивно. Лаплас думав, що K велико в порівнянні з атмосферним тиском, але першу реалістичну чисельну оцінку стояло зробити Юнгу.


СкачатиСкачати:Капілярні явища та їх вивчення (реферат)


Схожі реферати:
  • Методична робота в школі (реферат)
  • Автоматизація Журналу № 4 (контрольна)
  • Реферат з правознавства Правовий статус президенту України, адміністрація президента, РНБО План Правовий статус Президента України. Порядок, умови о
  • ;РЕФЕРАТ на тему: Поняття про пагін. Видозміни пагона. Анатомічна будова стебла трав янистих одно та дводольних рослин.
  • Основи екологічного права України (реферат)
  • Економічна сутність санації підприємств класична модель фінансової санації (реферат)
  • Правопорушення Вступ Кожна країна формує свій правопорядок. Необхідність його формування і вдосконалення обумовлюється двома зустрічними інтересами
  • Полімери (реферат)
  • РЕФЕРАТ на тему: Міжнародні економічні відносини та роль України в них ПЛАН 1. РОЛЬ І ЗНАЧЕННЯ МІЖНАРОДНИХ ЕКОНОМІЧНИХ ВІДНОСИН 2.
  • Неоконсерватизм. Соціальна демократія. Соціалізм Окремі негативні наслідки науково-технічного прогресу, соціальні революції ММ ст., криза лібералізму




  • Скористайтеся пошуком:
    Loading

    Пошук :

    0.032206