Глава 1. Тепловые явления. § 3. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления — с. 13
§ 3. Вопрос 1. Что называют смачиванием?
Смачиванием называют явление, при котором жидкость растекается по поверхности твёрдого тела и «прилипает» к ней. Оно возникает, когда силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела больше, чем силы притяжения молекул жидкости друг к другу. Капля смачивающей жидкости растекается тонким слоем, а у стенки сосуда поверхность жидкости загибается вверх. Например, вода смачивает чистое стекло, дерево, ткань.
§ 3. Вопрос 2. Приведите примеры смачивания и несмачивания водой различных поверхностей. Объясните явления на основе МКТ.
Вода смачивает чистое стекло, дерево, бумагу, ткань, бетон: на них капля растекается, и предмет становится мокрым. Вода не смачивает жирную, покрытую воском или парафином поверхность, перья водоплавающих птиц, лист лотоса, обработанную кремом обувь: на них вода собирается в круглые капли, которые скатываются.
Объяснение по МКТ: если молекулы поверхности притягивают молекулы воды сильнее, чем молекулы воды притягиваются друг к другу, происходит смачивание. Если же притяжение молекул воды друг к другу сильнее, чем к молекулам поверхности, вода стягивается в каплю и поверхность не смачивается.
Объяснение по МКТ: если молекулы поверхности притягивают молекулы воды сильнее, чем молекулы воды притягиваются друг к другу, происходит смачивание. Если же притяжение молекул воды друг к другу сильнее, чем к молекулам поверхности, вода стягивается в каплю и поверхность не смачивается.
§ 3. Вопрос 3. Какие явления называют капиллярными?
Капиллярными называют явления подъёма или опускания жидкости в узких трубках (капиллярах), в очень узких щелях и в пористых телах. Смачивающая жидкость в капилляре поднимается выше уровня жидкости в широком сосуде, а несмачивающая (например, ртуть в стеклянной трубке) опускается ниже этого уровня. Капиллярные явления происходят при пропитывании водой бумаги, ткани, почвы, при подъёме влаги по стеблям растений.
§ 3. Вопрос 4. От чего зависит высота подъёма жидкости в капилляре?
Высота подъёма жидкости в капилляре зависит от диаметра капилляра: чем он уже, тем выше поднимается смачивающая жидкость (и тем глубже опускается несмачивающая). Кроме того, она зависит от рода жидкости и материала капилляра, то есть от того, насколько хорошо жидкость смачивает его стенки. Чем сильнее смачивание и чем уже трубка, тем выше поднимается жидкость.
§ 3. Дополнительный вопрос 1. Что нужно сделать, чтобы можно было носить воду в решете?
Воду в решете можно носить, если сделать его стенки и проволочки несмачиваемыми, например покрыть их тонким слоем парафина (воска) или жира. Вода не смачивает такую поверхность, и по краям отверстий образуется выпуклая плёнка поверхностного натяжения, которая не даёт воде вытекать. Если отверстия достаточно малы, а слой воды невелик, вода держится в решете, как на сетке.
§ 3. Дополнительный вопрос 2. Для того чтобы обувь дольше носилась, рекомендуется обрабатывать её различными специальными кремами и спреями. Объясните, что при этом происходит.
Кремы и спреи содержат жиры, воск и другие водоотталкивающие вещества. Они заполняют поры кожи или ткани и покрывают поверхность тонкой плёнкой, которую вода не смачивает. Вода собирается в капли и скатывается, а не впитывается по капиллярам в материал обуви. Поэтому обувь не промокает, не разбухает и не рассыхается после высыхания, а значит, служит дольше.
Упражнение 1. Задача 1. Перед покраской поверхность металла тщательно обезжиривают. Для чего это делают?
Решение. На жирной поверхности краска (жидкость на водной или другой основе) не смачивает металл: она собирается в капли и плохо растекается. Жировая плёнка не даёт молекулам краски приблизиться к молекулам металла, поэтому притяжение между ними слабое. После обезжиривания краска смачивает металл, ровно растекается и плотно прилипает к нему, так что покрытие получается прочным и не отслаивается.
Ответ: обезжиривание обеспечивает смачивание металла краской и хорошее сцепление покрытия.
Ответ: обезжиривание обеспечивает смачивание металла краской и хорошее сцепление покрытия.
Упражнение 1. Задача 2. Если ткань пропитана маслом, то она перестаёт пропускать воду. С чем это связано?
Решение. Масло смачивает волокна ткани и покрывает их тонкой плёнкой, заполняя промежутки между нитями и капилляры. Вода не смачивает масляную плёнку: она не втягивается в узкие промежутки, а собирается в капли и скатывается. Капиллярное впитывание воды невозможно, потому что вода не смачивает стенки пор.
Ответ: пропитанная маслом ткань не смачивается водой, и вода по капиллярам в неё не проникает.
Ответ: пропитанная маслом ткань не смачивается водой, и вода по капиллярам в неё не проникает.
Упражнение 1. Задача 3. Объясните смысл поговорки «Как с гуся вода». Какое физическое явление лежит в её основе?
Решение. Поговорка означает, что неприятность или упрёк не оставляют никакого следа: всё проходит бесследно. Основа её — несмачивание. Перья гуся покрыты жировой смазкой, которую птица наносит клювом из специальной железы. Вода не смачивает жир: она собирается в круглые капли, которые скатываются с перьев и не промачивают их.
Ответ: в основе поговорки лежит явление несмачивания водой жирной поверхности перьев.
Ответ: в основе поговорки лежит явление несмачивания водой жирной поверхности перьев.
Упражнение 1. Задача 4. На сыром грунте следы от шагов намокают. Почему это происходит?
Решение. Грунт — пористое тело, в нём между частицами есть множество узких промежутков, то есть капилляров, заполненных водой. Когда человек наступает на грунт, он уплотняет его, и промежутки между частицами становятся ещё уже. Чем уже капилляр, тем выше по нему поднимается смачивающая жидкость, поэтому вода из глубины втягивается вверх, к поверхности следа, и след становится влажным.
Ответ: сжатие грунта уменьшает диаметр капилляров, и вода поднимается по ним к поверхности следа.
Ответ: сжатие грунта уменьшает диаметр капилляров, и вода поднимается по ним к поверхности следа.
Задание 2. Пункт 1. Возьмите две небольшие прямоугольные стеклянные пластины. Вымойте их и хорошо вытрите. Плотно прижмите пластины друг к другу. Разъедините их. Теперь проделайте тот же опыт с влажными пластинами. В каком случае разъединить пластины было легче?
Почему?
Ход выполнения. Берём две чистые стеклянные пластины (например, предметные стёкла), тщательно протираем их насухо и прижимаем друг к другу плоскостями. Разъединить сухие пластины легко: их можно просто развести, сопротивление почти не чувствуется. Затем смачиваем пластины водой, прижимаем их мокрыми поверхностями и пытаемся разъединить. Теперь пластины разъединяются заметно труднее: их приходится сдвигать вдоль плоскости или отрывать с усилием.
Объяснение. У сухих пластин поверхность неровная в микроскопическом масштабе, поэтому они касаются друг друга лишь в немногих точках, и молекулы стекла почти не приближаются друг к другу. Вода смачивает стекло, заполняет все неровности, и тонкая плёнка воды плотно прилегает к обеим пластинам. Молекулы воды и стекла оказываются очень близко и притягиваются, к тому же вода притягивает пластины и давление воздуха прижимает их.
Вывод: легче разъединить сухие пластины; влажные пластины сцепляются сильнее из-за смачивания и притяжения молекул воды и стекла.
Объяснение. У сухих пластин поверхность неровная в микроскопическом масштабе, поэтому они касаются друг друга лишь в немногих точках, и молекулы стекла почти не приближаются друг к другу. Вода смачивает стекло, заполняет все неровности, и тонкая плёнка воды плотно прилегает к обеим пластинам. Молекулы воды и стекла оказываются очень близко и притягиваются, к тому же вода притягивает пластины и давление воздуха прижимает их.
Вывод: легче разъединить сухие пластины; влажные пластины сцепляются сильнее из-за смачивания и притяжения молекул воды и стекла.
Задание 2. Пункт 2. Возьмите полоску плотной бумаги шириной 2—3 см. Сделайте на ней подсолнечным маслом простой рисунок, например квадрат, круг, треугольник. Опустите бумагу с рисунком в воду, окрашенную гуашью или акварельной краской. Выньте бумагу с рисунком из раствора, встряхните её и посмотрите на получившийся рисунок. Можно ли наблюдаемое явление использовать?
Для чего?
Ход выполнения. На полоске бумаги шириной 2–3 см рисуем простую фигуру кисточкой или ватной палочкой, смоченной подсолнечным маслом, и опускаем полоску в воду, подкрашенную гуашью. Вынимаем бумагу и встряхиваем её.
Наблюдение. Вся бумага, кроме нарисованной маслом фигуры, окрасилась: вода с краской смочила бумагу и впиталась в её капилляры. Фигура, нарисованная маслом, осталась светлой, потому что масло заполнило поры бумаги и вода его не смачивает, поэтому краска туда не проникла. Капли воды с этих мест стряхнулись.
Применение. Явление можно использовать для нанесения водяных знаков и рисунков (например, батик: узор из воска наносят на ткань, а затем красят её, и под воском цвет не проступает), для защиты материалов от влаги (гидрофобные пропитки), для получения негативных изображений и трафаретов.
Вывод: места, обработанные жиром, не смачиваются водой, поэтому на них краска не остаётся.
Наблюдение. Вся бумага, кроме нарисованной маслом фигуры, окрасилась: вода с краской смочила бумагу и впиталась в её капилляры. Фигура, нарисованная маслом, осталась светлой, потому что масло заполнило поры бумаги и вода его не смачивает, поэтому краска туда не проникла. Капли воды с этих мест стряхнулись.
Применение. Явление можно использовать для нанесения водяных знаков и рисунков (например, батик: узор из воска наносят на ткань, а затем красят её, и под воском цвет не проступает), для защиты материалов от влаги (гидрофобные пропитки), для получения негативных изображений и трафаретов.
Вывод: места, обработанные жиром, не смачиваются водой, поэтому на них краска не остаётся.
Задание 2. Пункт 3. Небольшой участок тыльной стороны кисти руки смажьте вазелином или жирным кремом. С помощью пипетки капните на руку по одной капле воды на смазанную поверхность и на несмазанную. Рассмотрите форму капель и сделайте вывод.
Ход выполнения. На тыльной стороне кисти смазываем небольшой участок вазелином или жирным кремом. Пипеткой наносим по одной капле воды (примерно по 0,05 мл) на смазанную и на чистую кожу и рассматриваем форму капель.
Наблюдение. На смазанном участке капля почти круглая, выпуклая, как маленький шарик; она держится на поверхности и легко скатывается при наклоне руки. На несмазанном участке капля более плоская, растекается, её край неровный, и она смачивает кожу.
Вывод: жир не смачивается водой, поэтому капля воды на жирной поверхности принимает форму, близкую к шарообразной, так как притяжение молекул воды друг к другу сильнее притяжения к молекулам жира; на чистой коже вода смачивает поверхность и растекается.
Наблюдение. На смазанном участке капля почти круглая, выпуклая, как маленький шарик; она держится на поверхности и легко скатывается при наклоне руки. На несмазанном участке капля более плоская, растекается, её край неровный, и она смачивает кожу.
Вывод: жир не смачивается водой, поэтому капля воды на жирной поверхности принимает форму, близкую к шарообразной, так как притяжение молекул воды друг к другу сильнее притяжения к молекулам жира; на чистой коже вода смачивает поверхность и растекается.