Схема явления

Явление капиллярности – подъем или опускание уровня жидкости под действием так называемых сил поверхностного натяжения – известно давно. Дополнительное давление жидкости, возникающее под ее искривленной поверхностью, определяется формулой Лапласа (1806)

Dр = s[(1/r₁) + (1/r₂)] н/м², (530)

где s - коэффициент поверхностного натяжения, н/м;

r₁ и r₂ - радиусы кривизны поверхности в двух взаимно перпендикулярных направлениях, м.

Парциальное давление пара р_п над искривленной поверхностью связано со скоростью испарения жидкости из капилляра формулой Стефана (1182)

J_m = [(Dmр_б)/(RTh)]ln[(р_б – р_с)/(р_б - р_п)] кг/(м²×сек) (531)

где D - коэффициент диффузии;

m - молекулярная масса;

р_б - общее барометрическое давление воздуха;

р_с - парциальное давление пара в окружающей среде;

R - газовая постоянная;

h - расстояние от края капилляра до мениска жидкости в нем.

Согласно общей теории, частные эффекты капиллярности (530) и испарения жидкости (531) входят в состав общего явления поверхностнофильтрационной пары, которая функционирует под действием разности значений поверхностного интенсиала (рис. 26) [11, 14, 16]

Dm_п = m_п” - m_п’ дж/кг. (532)

Фактически имеются две различные пары – одна образована пристеночным и осевым слоями жидкости (рис. 26-б и 26-в), а вторая – жидкостью мениска и паром, соприкасающимся с мениском (рис. 26-г).

Рис. 26. Схемы поверхностнофильтрационной пары (а)

и варианты циркуляции жидкости и пара в капилляре

(б - смачивание, в – несмачивание) и вблизи мениска (г).

Вторая пара весьма интересна. Одна ее ветвь – пар, а вторая – жидкость в поверхностном слое мениска. Спаями пары служат внешний контур мениска и осевая часть поверхности. При смачивании циркуляция происходит благодаря испарению жидкости на пристеночном и конденсации пара на осевом участке мениска. При несмачивании циркуляция имеет обратное направление. Эта циркуляция представляет собой любопытный пример вечного в целом бездиссипативного макроскопического движения жидкости и пара в условиях, если система полностью изолирована от окружающей среды.