Капиллярные свойства воды

Капиллярные свойства воды проявляются в её движении по очень узким трубкам, щелям и порам. В смачиваемом стеклянном капилляре вода поднимается выше уровня в широком сосуде, причём высота подъёма увеличивается при уменьшении радиуса трубки.

Что такое капиллярность

Капиллярностью называют явления, связанные с поверхностным натяжением на границе жидкости, газа и твёрдого тела. Название происходит от латинского слова capillaris — «волосяной». Капиллярами могут быть не только стеклянные трубки, но и поры почвы, бумаги, ткани, древесины и строительных материалов.

Почему вода поднимается

Молекулы воды притягиваются к чистому стеклу. Это взаимодействие называют адгезией. Одновременно молекулы воды сцепляются друг с другом — действует когезия. При хорошем смачивании край жидкости у стенки поднимается, образуя вогнутый мениск. Сила поверхностного натяжения имеет направленную вверх составляющую и тянет столб воды.

Подъём прекращается, когда вес столба жидкости уравновешивает действующую вверх силу. В несмачиваемом капилляре возможен обратный эффект: уровень жидкости оказывается ниже, чем в сосуде, а мениск становится выпуклым.

От чего зависит высота подъёма

Для круглого капилляра приближённую высоту определяет закон Жюрена:

h = 2σ cos θ / (ρgr),

где h — высота, σ — коэффициент поверхностного натяжения, θ — краевой угол, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, r — радиус капилляра.

Из формулы следует: чем меньше радиус, тем выше подъём. Он также зависит от смачивания, плотности жидкости и поверхностного натяжения. В реальных пористых материалах каналы имеют сложную форму, поэтому движение дополнительно ограничивается вязкостью и испарением.

Мениск воды

В стеклянной трубке поверхность воды у стенок приподнята и имеет вогнутую форму. При измерении объёма в мерной посуде показание для воды обычно снимают по нижней точке мениска на уровне глаз. Неверное положение глаза создаёт ошибку параллакса.

Ртуть в чистом стекле ведёт себя иначе: она плохо смачивает стенки, поэтому образует выпуклый мениск и понижение уровня в узком капилляре.

Капиллярность в растениях

Вода движется по тонким проводящим элементам ксилемы. Капиллярные силы помогают удерживать непрерывный водяной столб и действуют вместе со сцеплением молекул. Однако для высоких деревьев одной капиллярности недостаточно.

Главную роль в подъёме воды на значительную высоту играет испарение с поверхности листьев — транспирация. Оно создаёт натяжение в системе сосудов. Также влияют корневое давление и свойства проводящих тканей.

Вода в почве

Поры между частицами почвы образуют разветвлённую капиллярную сеть. По ней вода способна перемещаться вверх и в стороны. Мелкие поры удерживают влагу сильнее, но проводят её медленнее. Крупные поры быстрее пропускают воду под действием тяжести.

Капиллярное движение снабжает корни влагой, но также может переносить к поверхности растворённые соли. После испарения соли остаются в верхнем слое, что при определённых условиях способствует засолению почвы.

Бумага, ткань и губка

Бумажное полотенце втягивает воду по микроскопическим промежуткам между целлюлозными волокнами. По тому же принципу работают фитиль, марля, губка и многие впитывающие материалы. Жидкость растекается по сети пор даже против силы тяжести.

Капиллярная влага в зданиях

Кирпич, бетон и раствор содержат поры. При отсутствии гидроизоляции грунтовая влага может подниматься по стенам, переносить соли и вызывать сырость. Высота и скорость зависят от структуры материала, испарения, состава воды и состояния защитных слоёв.

Практическое применение

Капиллярные явления используют в фитильных лампах, авторучках, тест-полосках, хроматографии, системах полива, медицинских анализаторах и тепловых трубках. Управление смачиванием позволяет направлять очень малые объёмы жидкости в микрофлюидных устройствах.

Краткие ответы

Почему вода поднимается в капилляре

Она смачивает стенки, а поверхностное натяжение тянет край жидкости вверх, пока вес столба не уравновесит эту силу.

Где вода поднимется выше

При прочих равных — в более узкой трубке.

Поднимается ли вода в дереве только благодаря капиллярности

Нет. Капиллярные силы помогают, но основной подъём на большую высоту связан с транспирацией и сцеплением молекул воды в сосудах ксилемы.