Омокрящи явления. Капилярни явления. Капилярна сила Формула за капилярна сила

СВОЙСТВА НА МОЛЕКУЛНАТА ПОВЪРХНОСТ

НЕФТ – ГАЗ – ВОДА – СКАЛНИ СИСТЕМИ

Маслен резервоар е огромно натрупване на капилярни канали и пукнатини, чиято повърхност е много голяма. Вече видяхме, че понякога повърхността на каналите на порите 1 м 3нефтените скали възлизат на няколко хектара. Следователно, моделите на движение на нефт в резервоар и изместването му от пореста среда, заедно с обемните свойства на течности и скали (вискозитет, плътност, свиваемост и т.н.) до голяма степен зависят от свойствата на граничните слоеве на контактуващите фази и процесите, протичащи при контактната повърхност на нефт, газ и вода с породата.

По-интензивното проявление на свойствата на граничните слоеве, когато тялото се диспергира (раздробява), се дължи на увеличаването на броя на повърхностните молекули в сравнение с броя на молекулите, разположени вътре в обема на частиците. В резултат на това, тъй като дисперсията на системата се увеличава, явленията, възникващи в повърхностния слой, оказват все по-голямо влияние върху движението на вода и газ в нефтени и газови резервоари.

Повърхностните явления и повърхностните свойства на резервоарните системи очевидно също са повлияли на процесите на образуване на нефтени и газови находища. Например, степента на хидрофобизация на повърхността на каналите на порите с масло, структурата на контактите газ-нефт и вода-масло, относителното положение на течности и газове в пореста среда, количественото съотношение на остатъчната вода и масло и някои други свойства на формацията се определят от повърхностни и капилярни явления, възникнали във формацията по време на образуването на находището.

Очевидно е също така, че най-важният проблем за увеличаване на добива на нефт от резервоари не може да бъде решен без подробно изследване на процесите, протичащи върху контактните повърхности на минерали с пластови течности и свойствата на тънки слоеве течности в контакт със скалата.

Молекулните сили на взаимодействие между различните вещества, насищащи скалите, играят важна роля в процесите на извличане на нефт и газ от недрата. Капилярните сили са една от формите на проявление на междумолекулните сили.

Естеството на молекулярното взаимодействие зависи от естеството на веществото. При нормални разстояния между молекулите на веществото (при нормално налягане и температура) взаимодействието на молекулите се изразява в привличането им една към друга. Когато молекулите се приближат една до друга, възникват сили на отблъскване.

Сила на молекулярно взаимодействие Foсилно зависими от разстоянието Жмежду молекули при малки g.

функция За)за прости молекули със сферична форма има формата, показана на фиг. 5.1. Нека си представим две течности АИ IN,така диспергирани една в друга, че техните молекули са равномерно разпределени в обема, зает от тези течности.

Нека течните молекули INса по-силно привлечени от течните молекули а,отколкото помежду си. След това произволно натрупване на молекули IN(фиг. 35) ще бъдат краткотрайни - течни молекули Атечните молекули ще бъдат „разкъсани“ IN.Течност INв този случай е напълно разтворим в течност А.

Ако взаимното привличане на течните молекули INмного по-голямо привличане на течните молекули INкъм молекулите на течност А или ако има сили на отблъскване между тези различни молекули, тогава натрупването на молекули на течност В, разположени в течност А, ще бъде стабилно. Такива течности се наричат ​​взаимно неразтворими или несмесими. Следователно естеството на взаимодействието на молекулите на различни вещества определя тяхната взаимна разтворимост.

Нека разгледаме схематично молекулите на две взаимно неразтворими вещества, които са в контакт едно с друго (фиг. 5.2). Ще приемем, че молекулите на течностите А и В изпитват взаимно отблъскване, а силите на отблъскване действат в посока, перпендикулярна на границата между течностите. Молекулите A и B също изпитват привличане към течността, към която принадлежат. Нека сега приемем, че молекулите на течност B,

Фиг. 5.2 Взаимно привличане на молекули A и B

които първоначално са били в силно диспергирано състояние в течност А, събрани в една капка. Когато молекулите на течност B бяха силно диспергирани в течност A, те имаха по-голяма потенциална енергия, отколкото когато бяха събрани

Напрегнатото състояние на повърхностния слой на течността, причинено от силите на сцепление между молекулите на този слой, се нарича повърхностно напрежение.

Силата на повърхностно напрежение се определя по формулата F = al,Където А- коефициент на повърхностно напрежение; л- дължината на контура, ограничаващ повърхността на течността. Коефициентът на повърхностно напрежение на течността е от порядъка на N/m (за вода - 0,07, за алкохол - 0,02).

Наличието на повърхностен филм причинява образуването на пяна върху водата, която представлява натрупване на малки въздушни мехурчета под този филм; мехурчетата повдигат филма, без да го пробиват. Залепване на мокра коса, мокри песъчинки и др. също се свързва с течните филми, с желанието им да придобият минимална повърхност.

Повърхностното напрежение е силно повлияно от съдържащите се в него примеси. Например, сапунът, разтворен във вода, намалява коефициента на повърхностно напрежение от 0,073 на 0,045 N/m. Вещество, което отслабва повърхностното напрежение на течността, се нарича повърхностно активно вещество. Тези вещества намират най-широко приложение в живота. По отношение на водата, маслото, алкохолът, етерът, сапунът и много други течности са повърхностно активни.

Феноменът на повишаване или понижаване на нивото на течността в тесни тръби (капиляри), поради действието на допълнително налягане, където А -коефициент на повърхностно напрежение, a Р- радиусът на кривината на тръбата поради извитата повърхност се нарича капилярност.

Всяко поресто тяло има капилярни свойства, например филтърна хартия, суха креда, разхлабена почва и др. Порестите тела лесно се насищат с омокрящи течности и ги задържат. За немокрящите течности, напротив, тези тела са непроницаеми. Капилярните явления играят важна роля в природата и технологиите, например за живота на растенията, тъй като

допринасят за издигането на вода и хранителни разтвори от почвата по ствола на растението. Процесите на омокряне и капилярност играят важна роля и се вземат предвид при текстилното производство на облекло.

Както знаете, по време на живота на човешкото тяло има постоянно отделяне на влага и пот. Влагата (както течност, така и пара) се събира от материала на облеклото и след това, в зависимост от свойствата на този материал, се движи вътре в него и частично се задържа в него, а частично се освобождава. Вътре в пространството под облеклото, както и в самите материали на облеклото, непрекъснато протичат капилярни процеси, което оказва решаващо влияние върху комфорта и хигиената на облеклото.

На свободната повърхност на течността протича процес на изпарение, при който течността постепенно преминава в газообразно състояние. Процесът на изпаряване се състои в това, че отделни молекули, разположени близо до повърхността на течността и имащи по-висока от средната кинетична енергия, преодоляват силите на привличане на молекулите и напускат течността. В този случай молекулата трябва да извърши работа срещу действието на молекулните сили, наречена работа И в,както и работа по дяволитесрещу външни сили на натиск (разширителна работа). В тази връзка кинетичната енергия на молекулите намалява и се превръща в потенциална енергия на молекулите на парата. Молекулите на парата, разположени близо до повърхността на течност, могат да бъдат привлечени от нейните молекули и да се върнат обратно в течността. Този процес се нарича кондензация на пара. И двата процеса винаги протичат на повърхността на течността: изпарение и кондензация. Ако броят на изпаряващите се и кондензиращите се молекули за единица време е еднакъв, тогава парата е в динамично равновесие с течността и такава пара се нарича наситена. За масово изпаряване Tтечност при постоянна температура изразходва количеството топлина Q n = m, където е специфичната топлина на изпарение. За вода при 0°C = 2,5-10 6 J/kg. Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина.

За да се ускори изпарението на течността, процесът на отстраняване на получените пари е много важен, който в естествени условия се извършва от вятъра.

Течностите, които се изпаряват бързо (амоняк, етилов етер, етилов хлорид и др.), се наричат ​​летливи. На този принцип работи

домакински хладилник. Принципната схема на хладилния агрегат е показана на фиг. 2.

Хладилният агент се изпарява в изпарителя. Работната течност (охлаждаща течност) е фреон. Формулата му CC1 2 F 2. Под действието на компресора парите на фреона преминават от изпарителя в цилиндъра на компресора и се компресират адиабатно до налягане от няколко атмосфери и се нагряват до температура 30-40°C. Сгъстената пара постъпва в кондензатора, преминавайки през който сгъстената пара се охлажда до стайна температура и се втечнява. Течността отново влиза в изпарителя и работният цикъл на хладилника се повтаря. Изпарително-кондензационният цикъл се поддържа от компресор, чиято работа използва енергията, консумирана от мрежата от неговия двигател (електромотор).

Изпарението и кондензацията играят изключително важна роля в процесите на влагообмен и топлообмен на земното кълбо.

Наличието на контактен ъгъл води до изкривяване на повърхността на течността в близост до стените на съда. В тясна тръба (капиляр) или в тясна междина между две стени цялата повърхност е извита. Ако течността намокри стените, повърхността има вдлъбната форма, ако не ги намокри, тя е изпъкнала (фиг. 119.1). Тези видове извити течни повърхности се наричат ​​менискуси.

Ако капилярът се потопи в единия край в течност, излята в широк съд, тогава под извитата повърхност в капиляра налягането ще се различава от налягането под плоската повърхност в широкия съд с количеството, определено по формула (117.4).

В резултат на това, когато капилярът е намокрен, нивото на течността в него ще бъде по-високо, отколкото в съда, а когато не е намокрено, ще бъде по-ниско.

Промяната във височината на нивото на течността в тесни тръби или пролуки се нарича капилярност. В широк смисъл капилярните явления означават всички явления, причинени от наличието на повърхностно напрежение. По-специално налягането, причинено от повърхностното напрежение (117.4), се нарича, както вече беше отбелязано, капилярно налягане.

Между течността в капиляра и широкия съд се установява такава разлика в нивата h, че хидростатичното налягане балансира капилярното налягане

(119.1)

В тази формула a е повърхностното напрежение на границата течност-газ, R е радиусът на кривината на менискуса. Радиусът на кривината на менискуса R може да бъде изразен чрез контактния ъгъл и капилярния радиус. Всъщност от фиг. 119.1 е ясно, че замествайки тази стойност в (119.1) и решавайки полученото уравнение за h, достигаме до формулата

(119.2)

В съответствие с факта, че намокрящата течност се издига през капиляра, а ненамокрящата течност се спуска, формула (119.2) дава в случаите положителни и отрицателни

При извеждането на израз (119.2) приехме, че формата на менискуса е сферична. Формулата за h може да бъде получена и въз основа на енергийни съображения, без да е необходимо да се правят специални предположения относно формата на менискуса. Равновесното положение на менискуса ще съответства на минималната енергия E на течностно-капилярната система. Тази енергия се състои от повърхностната енергия на границите течност - стена, течност - газ и стена - газ, както и от потенциалната енергия на течността в гравитационното поле.

Нека намерим нарастването на енергията, съответстващо на нарастването на височината на течността, издигаща се в капиляра. С увеличаването на височината повърхността на контакт на течността със стената на капиляра се увеличава с, в резултат на което енергията се увеличава. получава увеличение, равно на В същото време повърхността на контакт на стената с газа намалява, което е придружено от увеличение на енергията, равно на Потенциалната енергия в гравитационното поле получава увеличение, равно на силата на гравитацията, действаща върху. щрихованият обем на течността (фиг. 119.2), умножен по h, т.е. равен

В основата на капилярния контрол е явлението капилярност, което най-лесно се наблюдава в следния експеримент. Капиляри - тънки тръби - се спускат в широк съд с течност. Веднага след като краят на капиляра се намокри с течност, течността в капиляра се издига много по-високо от нивото в съда. Височината на капилярното издигане h се изчислява по формулата:

където R е радиусът на капиляра, ρ е плътността на течността, g е ускорението на гравитацията. Както се вижда от формулата, колкото по-голямо е омокрянето, толкова по-голямо е капилярното издигане. Радиусът на капиляра е обратно пропорционален на h, т.е. колкото по-малък е радиусът, толкова по-голямо е капилярното издигане.

Влиянието на радиуса на капиляра върху височината на издигане на течността:
а) течност, намокряща капиляра; б) немокряща течност

От това следва: колкото по-тънка е капилярната пукнатина, толкова по-дълбоко ще проникне течността за откриване на дефекти в нея. По време на технологичната операция на разработка е много важно да има възможно най-малко проявител. Тогава индикаторната течност ще бъде по-ефективно отстранена от капилярните сили на проявителя от дефекта и ще образува следа върху повърхността на слоя проявител, т.е. дефектът ще бъде открит.

За всякакви течности е възможно да се изчисли радиусът на тръбата, при който явлението капилярност не се появява, когато издигането на течността е незначително. За вода, например, покачването в стъклени тръби с диаметър около 3,6 mm вече не се наблюдава с просто око, т.е. Капилярите условно могат да се считат за тръби с диаметър по-малък от 3,0 mm и съответно дефекти (пукнатини, пори и др.) с отвор по-малък от 3 mm също могат да се считат за капиляри.

Както се наблюдава на практика и се вижда на фигурите, когато течност влезе в контакт с твърда плоска повърхност или стените на капиляр, интерфейсът „течност - твърда стена - газ“ винаги е извит. В капилярните тръби течността (по-точно границата между газ и течност) се огъва с кривина с радиус r, образувайки повърхност, наречена менискус. При капиляр при намокряне менискусът е вдлъбнат, при ненамокряне - изпъкнал.

В тези примери силите на намокряне могат да се разглеждат като сили, приложени към линията на контакт между течността и твърдото вещество (капиляра). Те могат да се разглеждат и като силата на опън върху повърхността на менискуса, образувана от течността в капиляра. Тази повърхност е опънат куполообразен филм, който има тенденция да се свива. Това въвежда концепцията за капилярно налягане, равно на съотношението на силата, действаща върху менискуса, към площта на напречното сечение на тръбата: (формула на Лаплас).

Капилярното налягане в прорез с плоски успоредни стени, разположени на разстояние H една от друга, се изчислява по подобна формула.

Екстракция на течност чрез капиляр с по-малък радиус от капиляр с по-голям радиус (R 1 > R 2). Модел на технологична операция на разработка

Формулите на закона на Лаплас (Pierre-Simon Laplace, 1806) определят зависимостта на капилярното налягане Pk от средната кривина на интерфейса между съседни фази (например вода и въздух в капиляр) и повърхностното напрежение σ.

- това е разликата в налягането от двете страни на извитата фазова граница (течност - пара или две течности), разположена в капиляра, причинена от повърхностно (междуфазово) напрежение. Капилярното налягане, подобно на височината на повдигане, се увеличава с увеличаване на омокряемостта и намаляване на радиуса на капиляра. В тръби с по-малък диаметър течността се издига на по-голяма височина, отколкото в тръби с по-голям диаметър, т.к. в този случай капилярното налягане е по-голямо.

Ако течността в един капиляр влезе в контакт с друг капиляр с по-малък радиус, тогава течността от първия капиляр ще бъде извлечена и ще се влее във втория до височина, съответстваща на радиуса на втория капиляр. Може да се случи така, че на дъното на съда изобщо да не остане течност; тя отива в по-тънки капиляри.

Подобни процеси се случват при проявяване с порест проявител. Пенетрантът се извлича от капилярния дефект от порите на капилярния прахов проявител (размерът им е пропорционален на разстоянието между праховите частици). Колкото по-малки са порите на прахообразния проявител, толкова по-бърз е процесът. В същото време възникват други явления (дифузия, адсорбция и др.).

В заключение трябва още веднъж да се подчертае, че намокрянето е задължително условие за проявата на капилярност и следователно необходимо условие за прилагане на капилярен безразрушителен контрол. В тази статия се обсъждат причините за пълнене на капиляри с течна омокряща среда, по-специално капилярно налягане Pc. Кинетиката на капилярното пълнене и законите на миграцията на течности за откриване на дефекти в капилярни прекъсвания са обсъдени в съответния раздел.

Сред процесите, които могат да бъдат обяснени с помощта на повърхностно напрежение и омокряне на течности, заслужава да се подчертаят капилярните явления. Физиката е мистериозна и необикновена наука, без която животът на Земята би бил невъзможен. Нека да разгледаме най-яркия пример за тази важна дисциплина.

В житейската практика такива интересни процеси от гледна точка на физиката като капилярни явления се срещат доста често. Работата е там, че в ежедневието сме заобиколени от много тела, които лесно абсорбират течност. Причината за това е тяхната пореста структура и елементарните закони на физиката, а резултатът са капилярни явления.

Тесни тръби

Капилярът е много тясна тръба, в която течността се държи по специален начин. В природата има много примери за такива съдове - капиляри на кръвоносната система, порести тела, почва, растения и др.

Капилярният феномен е издигането или спадането на течности през тесни тръби. Такива процеси се наблюдават в естествените канали на хора, растения и други тела, както и в специални тесни стъклени съдове. Картината показва, че различни нива на водата са се установили в комуникационни тръби с различна дебелина. Отбелязва се, че колкото по-тънък е съдът, толкова по-високо е нивото на водата.

Тези явления са в основата на абсорбиращите свойства на кърпата, храненето на растенията, движението на мастилото по пръта и много други процеси.

Капилярни явления в природата

Процесът, описан по-горе, е изключително важен за поддържането на живота на растенията. Почвата е доста рохкава, между нейните частици има пролуки, които представляват капилярна мрежа. Водата се издига през тези канали, захранвайки кореновата система на растенията с влага и всички необходими вещества.

Чрез същите тези капиляри течността активно се изпарява, така че е необходимо почвата да се оре, което ще унищожи каналите и ще запази хранителните вещества. Обратно, пресованата почва ще изпари влагата по-бързо. Това обяснява значението на разораването на почвата за задържане на подпочвена течност.

В растенията капилярната система гарантира, че влагата се издига от малките корени до най-горните части и през листата се изпарява във външната среда.

Повърхностно напрежение и намокряне

Въпросът за поведението на течностите в съдовете се основава на физични процеси като повърхностно напрежение и намокряне. Капилярните явления, причинени от тях, се изучават комплексно.

Под въздействието на повърхностното напрежение омокрящата течност в капилярите е над нивото, на което трябва да бъде според закона за комуникиращите съдове. Обратно, немокрящото вещество се намира под това ниво.

Така водата в стъклена тръба (омокряща течност) се издига на по-голяма височина, колкото по-тънък е съдът. Напротив, колкото по-тънък е контейнерът, толкова по-малко е живакът в стъклена епруветка (течност, която не се намокря). В допълнение, както е показано на снимката, овлажняващата течност образува вдлъбната форма на менискуса, а ненамокрящата течност образува изпъкнала форма.

Намокряне

Това е явление, което възниква на границата, където течност влиза в контакт с твърдо вещество (друга течност, газове). Възниква поради специалното взаимодействие на молекулите на границата на техния контакт.

Пълното намокряне означава, че капката се разпространява по повърхността на твърдото тяло, докато ненамокрянето го превръща в сфера. На практика една или друга степен на намокряне е по-често срещана от екстремните варианти.

Сила на повърхностно напрежение

Повърхността на капката има сферична форма и причината за това е законът, действащ върху течностите - повърхностното напрежение.

Капилярните явления се дължат на факта, че вдлъбнатата страна на течността в тръбата има тенденция да се изправи до плоско състояние поради силите на повърхностното напрежение. Това е придружено от факта, че външните частици носят нагоре телата под тях и веществото се издига нагоре по тръбата. Течността в капиляра обаче не може да приеме форма на плоска повърхност и този процес на издигане продължава до определена точка на равновесие. За да изчислите височината, до която водният стълб ще се издигне (падне), трябва да използвате формулите, които ще бъдат представени по-долу.

Изчисляване на височината на водния стълб

Моментът, в който спира издигането на водата в тясна тръба, настъпва, когато силата на гравитацията P на веществото балансира силата на повърхностното напрежение F. Този момент определя височината на издигане на течността. Капилярните явления се причиняват от две различно насочени сили:

• силата на гравитацията P нишка принуждава течността да падне надолу;
• Силата на повърхностно напрежение F движи водата нагоре.

Силата на повърхностно напрежение, действаща около кръга, където течността е в контакт със стените на тръбата, е равна на:

където r е радиусът на тръбата.

Силата на гравитацията, действаща върху течността в тръбата, е:

P верига = ρπr2hg,

където ρ е плътността на течността; h е височината на колоната течност в тръбата;

И така, веществото ще спре да се издига, при условие че P тежък = F, което означава това

ρπr 2 hg = σ2πr,

следователно височината на течността в тръбата е:

По същия начин за немокряща течност:

h е височината на веществото в тръбата. Както се вижда от формулите, височината, до която водата в тесен съд се издига (пада), е обратно пропорционална на радиуса на контейнера и плътността на течността. Това се отнася за намокрящи и ненамокрящи течности. При други условия е необходимо да се направи корекция на формата на менискуса, която ще бъде представена в следващата глава.

Налягане на Лаплас

Както вече беше отбелязано, течността в тесни тръби се държи по такъв начин, че изглежда, че законът на комуникиращите съдове е нарушен. Този факт винаги придружава капилярните явления. Физиката обяснява това с помощта на налягането на Лаплас, което е насочено нагоре, когато течността се намокря. Като спуснем много тясна тръба във вода, наблюдаваме как течността се изсмуква до определено ниво h. Според закона за свързващите се съдове, то трябваше да се балансира с външното водно ниво.

Това несъответствие се обяснява с посоката на налягането на Лаплас p l:

В този случай тя е насочена нагоре. Водата се изтегля в тръбата до ниво, където се уравновесява с хидростатичното налягане p g на водния стълб:

и ако p l =p g, тогава можем да приравним двете части на уравнението:

Сега височината h може лесно да се изведе като формула:

Когато намокрянето е пълно, тогава менискусът, който образува вдлъбнатата повърхност на водата, има формата на полукълбо, където Ɵ=0. В този случай радиусът на сферата R ще бъде равен на вътрешния радиус на капиляра r. От тук получаваме:

А в случай на непълно намокряне, когато Ɵ≠0, радиусът на сферата може да се изчисли по формулата:

Тогава желаната височина, коригирана за ъгъла, ще бъде равна на:

h=(2σ/pqr)cos Ɵ .

От представените уравнения става ясно, че височината h е обратно пропорционална на вътрешния радиус на тръбата r. Водата достига най-голяма височина в съдове с диаметър на човешки косъм, които се наричат ​​капиляри. Както е известно, омокрящата течност се изтегля нагоре, а ненамокрящата течност се избутва надолу.

Можете да проведете експеримент, като вземете свързани съдове, като единият от тях е широк, а другият е много тесен. След като налеете вода в него, можете да забележите различно ниво на течност, а във версията с омокрящо вещество нивото в тясната тръба е по-високо, а с ненамокрящо вещество е по-ниско.

Значението на капилярните явления

Без капилярни явления съществуването на живи организми е просто невъзможно. Чрез най-малките съдове човешкото тяло получава кислород и хранителни вещества. Корените на растенията са мрежа от капиляри, които извличат влагата от земята и я отвеждат до най-горните листа.

Обикновеното домакинско почистване е невъзможно без капилярни явления, тъй като според този принцип тъканта абсорбира вода. На тази основа работят кърпа, мастило, фитил в маслена лампа и много устройства. Капилярните явления в технологията играят важна роля при изсушаването на порести тела и други процеси.

Понякога същите тези явления водят до нежелани последствия, например порите на тухлата абсорбират влагата. За да избегнете навлажняване на сгради под въздействието на подпочвените води, трябва да защитите основата с хидроизолационни материали - битум, покривен филц или покривен филц.

Намокрянето на дрехи по време на дъжд, например панталони до коленете от ходене през локви, също се дължи на капилярни явления. Има много примери за този природен феномен около нас.

Експериментирайте с цветя

Примери за капилярни явления могат да бъдат намерени в природата, особено когато става дума за растения. Стволовете им имат много малки съдове вътре. Можете да експериментирате с боядисване на цвете в някакъв ярък цвят в резултат на капилярни явления.

Трябва да вземете ярко оцветена вода и бяло цвете (или лист китайско зеле, стрък целина) и да го поставите в чаша с тази течност. След известно време можете да наблюдавате как боята се движи нагоре върху листата на китайското зеле. Цветът на растението постепенно ще се променя според боята, в която е поставено. Това се дължи на движението на веществото нагоре по стъблата според законите, които обсъдихме в тази статия.