Капиллярлық қысым

Біз беттік керілуді өткенде ішкі молекулалық қысым деген ұғыммен танықан болатынбыз. Бұл шама сұйықтың табиғатына байланысты болады. Мысалы ол су үшін – 14800, спирт – 2400, эфир үшін -1400атм., осы,ан сəйкес ол сұйықтардың беттік керілуі (σ) су үшін – 73,8, спирт үшін – 22,03 ал эфир үшін 16,5 эрг/см². солеклалық қысым сұйықтықтың табиғатына емес сонымен қатар беттің пішініне де байланысты.төменгі суреттегідей 3 жағдайды қарастырайық.. бірінші түтікшедегі сұйықтықтың беті ойыс (A^I B^I), екіншісінде тегіс (A^II B^II), үшіншісінде дөңес (A^III B^III). Жазық тегіс беттегі молекулалық қысымды қалған екі түтікшедегі қысымдармен салыстырайық.

Сұйықтық бетінен α қашықтықтағы m молекуласын алайық, ол MN жазықтығында жатсын (2 түтікше). əрине бұл m молекуласынан төмендегі молекулалар оны төмен, ал жоғарғы жағындағы молекулалар жоғары тартады. Осының нə тижесінде екі күштің айырмашылығы сұйықтықтың қалыпты молекулалық қысымын Р₂ тудырады. Егер біз m молекула тұрған MN жазықтығының жоғары жағындағы 3 түтікшедегі кеңістікті

салыстырсақ, онда олардың əртүрлі екенін көреміз. 1-түтікшедегі ойыс бетте ең үлкен кеңістік, ендеше оны жоғарғы жағынан тартатын молекулалар саны да көп, соның нəтижесінде ойыс сұйықтық беттегі молекулалық қысым тегіс беттегі қысымнан аз болады. Керісінше дəл осы сияқты үшінші дөңес бетте қысымның жазық тегіс бетіндегі қысымнан көп екенін көруге болады. Міне қисық бет пен тегіс беттің молекулалық қысымдары əртүрлі болады екен. Осындай қисық бет пен жазық беттің молекулалық қысымдарының айырмашылығын, көбіне ол (түтікшелер), капиллярларда болатындықтан,

капиллярлық қысым Р дейді.

Міне осы капиллярлық қысым əрқашанда беттік керілу сияқты бетке перпендикуляр. Міне осы беттің қысымы оның қисықтылығына байланысты екенін еске ала отырып кез-келген сұйықтықтың тамшысы əрқашанда шар тəрізді пішінге көшетінін көрсетуге болады. Тамшы бетінің əртүрлі қисықтылығына сəйкес əртүрлі қысымдар болады. Міне соның нəтижесінде сұйықтық тамшысы тепе-теңдік күйінде болу үшін өзінің пішіні сол əртүрлі күштер теңескенше өзгертеді. Ал олар шар тə різді болғанда ғана теңеледі. Беттің қисықтылығы көбіне қисықтылық радиусы R арқылы сипатталады. Егер бет дөңес болса, радиус сұйықтық жаққа бағытталған, бұл жағдайда радиустың мəні оң болады (R>O). Егер бет ойыс болса, қысымның радиусы теріс болады (R<O). Ал жазық тегіс бет үшін радиус өте шексіз шама деп қарастырылады (R=∞). Каптллярлық қысым Р мен беттің қисықтылық радиусының арасындағы байланысты Лаплас теңдеуі бойынша көрсетуге

болады: P = ² _R^σ; бұл беттің қисықтылығы шар тəрізді болғанда. Егер бет элипсоидтық

Бұл Лаплас заңының жалпы жағдайын көрсетеді. Егер бет шар тəрізді болса (R₁=R₂) онда жоғарғы теңдеуді аламыз. Егер R₁=R₂=∞ болса, онда бет жазық, яғни тегіс бетте капиллярлық құбылыстың негізгі теориясы. Бұл заң бойынша капиллярлық қысымның беттік керілу өскен сайын жəне қисықтылық радиусы азайғавн сайын көбейетінін көруге болады. Бұл заң бойынша беттік керілу мен қисықтылық радиусы белгеілі жағдайда капиллярлық қысымды есептеп шығаруға болады. Мысалы, су үшін σ =73 дин/см; егер R=10^-5см болса, онда Р=73·2·10^-5 ≈ 15 атм., бұл судың буына қарағанда оның тамшысында қысымның 15 атм. артық екенін көрсетеді. Кез-келген сұйықтықтың батырылған түтікшенің табиғатына байланысты онда сұйықтық жұғуы, иə жұқпауы мүмкін. Мысалы үшін шыны түтікшеге су жұғады. Да, ал сынап жұқпайды. Осыған байланысты түтікшедегі сұйықтықтың беті қисық болады да, ал беттің қысымы жазық беттік қысымынан өзгеше болады. Сол себепті сұйықтыққа түтікше бойымен оны жоғары көтеретін күш пайда болады да (əрине егер сұйықтық жұғатын болса, онда бет ойыс болады), ол күш сұйықтықты деңгейдегі сұйықтықтың салмағы мен көтеретін күш теңеспейінше жоғары көтереді. Керісінше сұйықтық жұқпаса, түтікшкдкгі сұйықтықтың деңгейі төмен түседі.

Жоғары да айтылғандай сұйықтық деңгейі сұйықтық салмағы сол сұйықтықты көтеру кұш Ғ теңескенше көтеріледі. Һ биіктікте осы күштер өзара теңеседі деп қарастырсақ: Q=F, мұндағы F = σ 2 πr мұндағы r-түтікшенің радиусы, σ- сұйықтықтың беттік керілуі. Ал Һ деңгейдің биіктігі; d – сұйықтықтың тығыздығы. g – еркін түсу үдеуі (981 см/с²).

Бұл теңдеуді Жюрен теңдеуі деп те атайды.

Егер сұйықтық түтікшеге жұқпайтын болса онда Ө>90⁰, CosӨ<0 ендеше Жюрен теңдеуі бойынша Һ<0, яғни сұйықтық түтікшемен жоғары көтерілмей, төмен түседі. Егер сұйықтық толық жұқса CosӨ=1, онда мынадай қарапайым теңдеуді жазуға болады.

h = _{r ⋅}² _g^σ _{⋅ d} бұл формула бойынша сұйықтықтың көтерілу биіктігін есептеуге болады.

Мысалы, су үшін жуыұқтап есептегенде мəліметтер мынаны көрсетеді:

Жер қыртысы мен топырақ бойындағы судың капиллярлық көтерідуінің өсімдіктер үшін маңызы зор. Сол себепті кейде топырақ құрғап кетпес үшін, капиллярлық каналдарды бұзу мақсатымен агретехникада əртүрлі шаралар қолданылады (тырмалау, малалау).

Тұрғын үйлер мен басқа құрылыстарда судың капиллярлық көтерілуін тоқтату үшін фундамент пен үй қабырғасының арасына гидроизоляциялық материалдар қояды. Басқа да жолдары бар мысалы, электроосмос арқылы көтерілген ылғалды кетіру. Сонымен дөңес беттегі сұйық буының қысымы жазық беттегі сұйықтықтың қалыпты қысымынан көп болады, ал ойыс беттегі сұйықтық буының қысымы одан аз болады:

қаныққан будың қысымы.V_m – сұйықтық мольдің көлемі. R – газ тұрақтысы Т – абс. температура. Тамсон теңдеуі капиллярлық конденсация құбылысын түсіндіру үшін қажет есептеудің негізі болып табылады. Егер Р_S жəне капиллярдың радиусы белгілі болса, онда Р_Һ яғни, одан жоғары қысымда конденсация болатын қысымды есептеуге болады. Егер Р_Һ, Р_S белгілі болса, онда керісінше капиллярдың максимальдық радиусы (яғни конденсация болатын радиусын) есептеуге болады. Ал соңғы жағдай адсорбенттерді дұрыс таңдауға мүмкіншілік береді.