Движение капиллярной воды в почвах происходит при воздействии отрицательного давления под вогнутыми менисками воды и сосущей силы, возникающих в результате смачивания стенок пор и капилляров. Поскольку сосущая сила вогнутых менисков возрастает с увеличением их кривизны, движение капиллярной воды всегда направлено в сторону менисков меньших пор и капилляров, т. е. к участкам меньшей влажности.
Объем капиллярно-проводимой воды, а следовательно, и скорость капиллярного движения пропорциональны четвертой степени радиуса капилляров и обратно пропорциональны вязкости жидкости, как это следует из формулы Пуазеля:

Приведенная формула Пуазеля применима лишь к правильным цилиндрическим трубкам. Ho схема трубок даже капиллярного диаметра мало приложима к почвам и грунтам, которые имеют крайне сложные размерность и тип строения пор, вариации размеров частиц и их консистенции. Однако общие выводы из этой формулы очень существенны для почвоведения. С уменьшением радиуса капилляров пор значительно уменьшаются объем и скорость капиллярного передвижения воды в почвах. Чем выше дисперсность почв и грунтов, т. е. чем менее они структурны и чем больше их глинистость и коллоидность, тем потенциальная высота подъема капиллярной воды больше, а скорость подъема ее меньше. С уменьшением степени дисперсности, т. е. с возрастанием песчанистости почв и грунтов, высота капиллярного поднятия снижается, однако скорость капиллярного движения воды и объем передвигаемой влаги возрастают (табл. 9 и рис. 6).

Обращает на себя внимание исключительно медленное, почти полное отсутствие движения капиллярной воды у частиц диаметром <0,002 мм (табл. 10). Вследствие этого нередки случаи, когда в непосредственном соседстве залегают совершенно сухие и влажные горизонты тяжелых глин, несмотря на их высокую потенциальную способность к капиллярному передвижению воды. Скорость движения капиллярной воды в глинах настолько мала, что нужны годы для достижения потенциальной высоты капиллярного поднятия.
Если в геохимии даже малая скорость капиллярного движения растворов в глинах имеет большое значение в миграции солей, то в практике мелиорации приходится считать тяжелые глины капиллярно малоактивными. Для практических целей водного хозяйства или дорожного строительства, когда необходимо учитывать опасность заболачивания, засоления почв или уменьшения несущей способности грунтов вследствие капиллярного переувлажнения на дорогах, приходится пользоваться эмпирическими данными, характеризующими фактически наблюдаемое и относительно быстрое движение капиллярной воды, которая может вызвать эти явления.

Ниже приводятся величины водоподъемной способности грунтов в почв в зависимости от механического состава.

В.Р. Вильямс подчеркивал, что высота капиллярного движения воды, весьма зависит также от структурности почв и грунтов. Структурные и микроагрегатные отдельности ведут себя сходно с крупными элементарными механическими частицами, в значительной степени снижая высоту и скорость капиллярного поднятия.
Как видно из данных табл. 11, в бесструктурном пылеватом суглинке за 1 месяц 10 дней капиллярная вода поднялась на высоту 120 см.

За это же время в структурном суглинке капиллярная вода поднялась всего лишь на высоту 37,5 см. Однако надо иметь в виду, что образование структурности и микроагрегированности в тяжелых глинистых почвах, наоборот, может увеличить скорость капиллярного движения растворов.
Подвижность капиллярной воды в почвах находится в большой зависимости и от влажности почв. Чем суше почва, тем относительно менее подвижна в ней вода. Наоборот, чем влажнее почва, тем подвижнее в ней капиллярная вода и тем легче она передается соседним более сухим горизонтам.
Характер движения капиллярной воды зависит также от взаимоотношения капиллярной воды с зеркалом грунтовых вод.
Движение капиллярно-подпертой воды тесно связано с колебаниями уровня грунтовых вод. Скорость восходящего движения капиллярно-подпертой воды зависит от глубины залегания грунтовых вод. При очень близком к поверхности положении уровня грунтовых вод капиллярная вода в почве перемещается силами менисков как тонких пор и капилляров, так и крупных пор и капилляров. Скорость капиллярного передвижения воды с растворами солей значительно возрастает с приближением их к поверхности. Снижение уровня грунтовых вод выключает из работы мениски крупных капилляров и пор, способных быстро транспортировать капиллярную воду. Соответственно даже небольшое, на 10-30 см, опускание уровня грунтовых вод чрезвычайно сильно снижает объем и скорость капиллярного передвижения воды, поскольку после этого капиллярная вода транспортируется лишь сосущей силой менисков наиболее тонких капилляров и пор. Последние же способны передвигать капиллярную воду лишь медленно и в малых объемах.
Движение капиллярно-подвешенной воды в почвах происходит под действием силы тяжести и рассасывающей способности вогнутых менисков тонких капилляров и пор. Капиллярно-подвешенная вода постепенно рассасывается в стороны и главным образом в нисходящем направлении йз крупных камер, пор и капилляров в тонкие. Сложная сетка вогнутых менисков на верхних и нижних концах почвенных капилляров удерживает подвешенную воду в висячем состоянии в толще почвы. Поскольку мениски меньших пор и капилляров обладают большей всасывающей силой, происходит медленное рассасывание капиллярно-подвешенной воды во все стороны. Однако основным направлением распространения капиллярно-подвешенной воды будет нисходящее.
Если поступление воды (атмосферной, поливной и т. д.) с поверхности превосходит несущую силу всех менисков почвы, то происходит сброс избыточной свободной гравитационной воды вниз. Испарение воды с поверхности или потребление ее корнями растений сопровождается передвижением части капиллярно-подвешенной воды из крупных пор и капилляров в более тонкие, с постепенным общим иссушением почвы.
Поскольку сосущая сила вогнутых менисков тонких пор и капилляров больше, чем крупных, при испарении капиллярно-подвешенной воды постепенно происходит отсасывание влаги из крупных камер, пор и капилляров и перемещение ее в поверхностные горизонты почвы.
По исследованиям А.А. Роде и его сотрудников в лаборатории и в полевых условиях, в случае отсутствия растительного покрова при испарении возвращается к поверхности почв примерно 2/3 объема капиллярно-подвешенной воды, поступившей в почву. Поскольку капиллярно-подвешенная вода способна возвращаться в пахотный слой из глубины 70-100-150 см, ее восходящее движение при испарении может явиться причиной перераспределения легкорастворимых солей, находящихся в подпочвенных горизонтах. Такие явления наблюдались при орошении почв в пустынях Сахары и Центральной Азии.
Опасность засоления орошаемых почв капиллярно-подвешенной водой, вследствие переувлажнения почв и распространения при поливах капиллярно-подвешенной воды до глубины соленосных горизонтов, систематически подчеркивалась в работах В. Р. Вильямса и Л. П. Розова. Засоления пахотных горизонтов орошаемых почв в этих случаях можно вполне избежать, если при установлении поливных норм учитывать эту опасность. Рыхление почв, поддержание их структурного состояния значительно ослабляют скорость передвижения капиллярно-подвешенной воды при испарении к поверхности. Незатененность, бесструктурность и распыленность почв, наоборот, способствуют увеличению движения капиллярно-подвешенной воды к поверхности.
Способы воздействия на движение капиллярной воды. В практике земледелия возникают различные проблемы регулирования режима капиллярной воды в почвах. В целях борьбы с потерей воды из почвы на испарение, а также для предупреждения засоления орошаемых почв необходимо систематически применять комплекс мероприятий, направленных на уменьшение восходящего движения почвенно-грунтовых вод но капиллярам к поверхности.
Агротехническими приемами уменьшения высоты и скорости капиллярного движения воды к поверхности почвы при орошении являются мероприятия, предложенные В.Р. Вильямсом для улучшения структуры почвы (многолетние травы в правильном севообороте, рациональная обработка почвы). В этом же направлении действуют мульчирование почв, структурообразующие полимерные препараты и гидрофобные вещества, вносимые в почвы.
Всемерное снижение уровня соленых грунтовых вод и предупреждение его подъема до критической глубины (уменьшение фильтрации воды в ирригационной сети, жесткая водная дисциплина) также являются важнейшим способом уменьшения скорости и количества воды, капиллярно передвигающейся к поверхности почвы. В некоторых случаях в практике орошаемого земледелия, наоборот, целесообразно сохранить поступление капиллярной воды в пахотный горизонт почвы и учесть это дополнительное грунтовое питание растений при разработке поливных режимов. Это необходимо в тех случаях, когда близко расположенная от поверхности грунтовая вода (1-2,5 м) не засолена, а является сравнительно маломиперализованной (1-3 г/л). Поступление капиллярной воды в поверхностные горизонты почвы позволяет при этом значительно уменьшить число поливов за вегетационный период, а в некоторых случаях и полностью отказаться от них (каирное неполивное земледелие на террасах Сырдарьи и Амударьи при пресных грунтовых водах, земледелие в Хорезме на опресненных грунтовых водах).
Необходимость сохранения достаточно быстрого поступления капиллярной воды в поверхностные горизонты почвы должна учитываться также и при осушительных мелиорациях, чтобы не допустить пересушивания ранее заболоченных почв. Осушительные мелиорации должны быть направлены на то, чтобы отвести только избыточные воды. Осушительные каналы и дрены не должны закладываться глубоко в грунтовые воды. Это необходимо для сохранения систематического быстрого поступления пресной капиллярной воды грунтового происхождения в поверхностный корнеобитаемый слой почвы, благодаря чему на осушенных землях поддерживается как бы подпочвенное орошение. Нидерланды, Бельгия, Швеция и Финляндия широко пользуются этим приемом. В Нидерландах установлены и нормы осушения с учетом этого явления (рис. 7).

Наоборот, при коренных мелиорациях и освоении солончаков возникает задача отрыва пахотных горизонтов почв от капиллярной каймы и снижения уровня соленых грунтовых вод на такую глубину, с которой минерализованные растворы капиллярно-подпертой воды не смогут быстро доходить до корнеобитаемых слоев почвы. В этих случаях приходится закладывать дренирующие каналы с таким расчетом, чтобы удерживать грунтовые воды несколько ниже (на 20-30 см) их критического уровня.
Наконец, в отдельных случаях возможны мероприятия, направленные на усиление и увеличение капиллярного передвижения воды в почвах. Так, после посевов рекомендуется укатка поверхности поля специальными катками для улучшения контакта семян с почвой, для подачи капиллярной воды к семенам, что необходимо для их набухания и дружных всходов. После укатки поле должно быть пробороновано для ослабления испарения влаги с поверхности.
Тщательные поливы по бороздам, подпочвенное орошение из пластмассовых трубок также основаны на стремлении подавать капиллярную воду к корням растений с минимальным образованием гравитационной воды.

На границе раздела жидкости с твердым телом возникают явления смачивания или несмачивания, обусловленные взаимодействием молекул жидкости с молекулами твердого тела:

Рис.1 Явления смачивания (а) и несмачивания (б) жидкостью поверхности твердого тела (— краевой угол)

Так как явления смачивания и несмачивания определяются относительными свойствами веществ жидкости и твердого тела, одна и та же жидкость может быть смачивающей для одного твердого тела и несмачивающей для другого. Например, вода смачивает стекло и не смачивает парафин.

Количественной мерой смачивания является краевой угол угол, образуемый поверхностью твердого тела и касательной, проведенной к поверхности жидкости в точке соприкосновения (жидкость находится внутри угла).

При смачивании и чем меньше угол тем сильнее смачивание. Если краевой угол равен нулю, смачивание называют полным или идеальным . К случаю идеального смачивания можно приближенно отнести растекание спирта по чистой поверхности стекла. В этом случае жидкость растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всю поверхность.

При несмачивании и чем угол , тем сильнее несмачивание. При значении краевого угла наблюдается полное несмачивание. В этом случае жидкость не прилипает к поверхности твердого тела и легко скатывается с нее. Подобное явление можно наблюдать, когда мы пытаемся вымыть жирную поверхность холодной водой. Моющие свойства мыла и синтетических порошков объясняются тем, что мыльный раствор имеет меньшее поверхностное натяжение, чем вода. Большое поверхностное натяжение воды мешает ей проникать в мелкие поры и промежутки между волокнами ткани.

Явления смачивания и несмачивания играют важную роль в жизни человека. При таких производственных процессах, как склеивание, покраска, пайка очень важно обеспечить смачивание поверхностей. В то время, как обеспечение несмачивания очень важно при создании гидроизоляции, синтезе непромокаемых материалов. В медицине явления смачивания важны для обеспечения движения крови по капиллярам, дыхания и других биологических процессов.

Явления смачивания и несмачивания ярко проявляются в узких трубках - капиллярах .

Капиллярные явления

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Капиллярные явления - это подъем или опускание жидкости в капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких трубках.

Смачивающая жидкость поднимается по капилляру. Жидкость, не смачивающая стенки сосуда, опускается в капилляре.

Высота h поднятия жидкости по капилляру определяется соотношением:

где коэффициент поверхностного натяжения жидкости; плотность жидкости; радиус капилляра, ускорение свободного падения.

Глубина , на которую опускается жидкость в капилляре, вычисляется по той же формуле.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Изогнутую поверхность жидкости называют мениском .

Под вогнутым мениском смачивающей жидкости давление меньше, чем под плоской поверхностью. Поэтому жидкость в капилляре поднимается до тех пор. пока гидростатическое давление поднятой в капилляре жидкости на уровне плоской поверхности не скомпенсирует разность давлений. Под выпуклым мениском несмачивающей жидкости давление больше, чем под плоской поверхностью, это приводит к опусканию жидкости в капилляре.

Капиллярные явления мы можем наблюдать и в природе, и в быту. Например, почва имеет рыхлое строение и между ее отдельными частицами находятся промежутки, представляющие собой капилляры. При поливе по капиллярам вода поднимается к корневой системе растений, снабжая их влагой. Также находящаяся в почве вода, поднимаясь по капиллярам. испаряется. Чтобы уменьшить эффективность испарения, тем самым сократив потери влаги, почву разрыхляют, разрушая капилляры. В быту капиллярные явления используются при промокании влажной поверхности бумажным полотенцем или салфеткой.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	В капиллярной трубке радиусом 0,5 мм жидкость поднялась на 11 мм. Найти плотность данной жидкости, если ее коэффициент поверхностного натяжения .
Решение	откуда плотность жидкости: Переведем единицы в систему СИ: радиус трубки ; высота поднятия жидкости ; коэффициент поверхностного натяжения жидкости . Ускорение свободного падения . Вычислим:
Ответ	Плотность жидкости

ПРИМЕР 2

Задание	Найти массу воды, поднявшейся по капиллярной трубке диаметром 0,5 мм.
Решение	Высота поднятия жидкости по капилляру определяется формулой: Плотность жидкости: Объем столба жидкости, поднявшейся по капилляру, считаем как объем цилиндра с высотой и площадью основания : подставив соотношение для объема столба жидкости в формулу для плотности жидкости, получим: С учетом последнего соотношения, а также того, что радиус капилляра , высота поднятия жидкости по капилляру: Из последнего соотношения находим массу жидкости: Переведем единицы в систему СИ: диаметр трубки . Ускорение свободного падения . Коэффициент поверхностного натяжения воды . Вычислим:
Ответ	Масса воды, поднявшейся по капиллярной трубке кг.

Явлением смачивания, как было уже сказано, вызывается искривление поверхности жидкости у стенок сосуда, в который она налита. Если сосуд имеет достаточно большой диаметр, то главная, центральная часть поверхности воды в сосуде остается плоской, и искривляется только самый край ее. Если же диаметр сосуда настолько мал, что он делается соизмеримым с радиусом кривизны пристенного искривленного края поверхности воды, то эти искривленные края сливаются и образуют мениск - вогнутый при хорошем смачивании (θ≤90°) и выпуклый при плохом смачивании (θ≥90°). Так как радиус кривизны обычно очень невелик, образование менисков может происходить в трубках или щелях лишь с очень малым диаметром. Практически верхняя граница диаметра трубок, в которых наблюдается образование менисков, измеряется несколькими миллиметрами. Чем меньше диаметр трубки, тем больше кривизна мениска, т. е. тем меньше радиус кривизны.
Радиус кривизны мениска и радиус самой трубки находятся в следующей зависимости. Радиус кривизны мениска OB" обозначим через R, центр его кривизны через О, радиус трубки через r. Линия AB" - касательная к поверхности мениска в точке В", и, следовательно, угол 0 будет углом смачивания (рис. 10). На рисунке видно, что угол СВ"О тоже равен 0, поэтому

В случае полного смачивания θ=0 и R=r. Как мы уже знаем, искривление поверхности ведет к изменению величины поверхностного давления, уменьшая ее при образовании вогнутого мениска и увеличивая при образовании выпуклого.
Уменьшение поверхностного давления под вогнутым мениском имеет своим следствием поднятие воды в тонких трубках, опущенных одним концом в большой сосуд с водой. Такое поднятие называется капиллярным. Механизм его заключается в следующем. Опустим в сосуд с водой стеклянный капилляр (рис. 11). Диаметр сосуда настолько велик, что поверхность воды в нем совершенно плоская. Войдя в капилляр, стенки которого хорошо смачиваются, вода образует в нем вогнутый мениск. Как мы уже знаем, поверхностное давление под этим мениском будет меньше нормального. Если r - радиус капилляра, a R - радиус кривизны мениска, то

Допустим, что капилляр имеет цилиндрическую форму, а мениск одинаковую кривизну во всех направлениях. На основании формулы Лапласа имеем:

где P1 - поверхностное давление в узком капилляре.

Отсюда

Эта разность есть то «отрицательное давление», которое создается в результате образования мениска. Превышение поверхностного давления в сосуде (P0) над давлением в капилляре (P1) «вдавливает» воду в капилляр. Подъем воды будет происходить до тех пор, пока гидростатическое давление образовавшегося в капилляре столбика воды не уравновесит разности поверхностных давлений под плоской поверхностью воды во внешнем сосуде и под мениском в капилляре. Обозначив высоту столбика через Н, плотность воды через d, гидростатическое давление столбика через Q и ускорение силы тяжести через g, найдем, что Q-Hdg дин/см2.
Очевидно, что

При полном смачивании и плотности воды, равной единице,

Таким образом, высота поднятия воды в капилляре обратно пропорциональна радиусу капилляра (закон Жюрена), что мы и видим на рис. 11, где высота подъема воды в узком капилляре значительно больше, чем в широком.
Подставляя в только что выведенную формулу численные значения величин g и α (g = 981 см/сек2 и α=74 дин/см), имеем:

откуда получаем формулу Жюрена:

где H - высота капиллярного подъема, см,
r - радиус капилляра, см,
d - диаметр капилляра, см.
Подводя итог всему сказанному о капиллярном передвижении воды, в том числе о капиллярном поднятии, с которым встретимся в дальнейшем, мы видим, что и капиллярное передвижение воды и капиллярно-равновесные состояния обязаны своим происхождением явлениям поверхностного давления, величина которого изменяется в зависимости от формы поверхности воды. Форма поверхности воды определяется смачиваемостью твердого тела и диаметром капилляра.
Рассмотрим несколько частных случаев капиллярных явлений.

Представим себе изолированный цилиндрический капилляр, в который мы можем постепенно вводить воду сверху, причем образование воздушных пузырьков исключено. В некоторый начальный момент в капилляре образуется столбик воды небольшой высоты (рис. 12, а). Рассмотрим условия равновесия этого столбика. Он будет находиться под действием трех сил: силы тяжести, направленной вниз, поверхностного давления P1 верхнего мениска, направленного тоже вниз, и поверхностного давления P2 нижнего мениска, направленного вверх. Обозначим высоту столбика через h (в см), плотность воды через d и радиус капилляра через r (в см). Вес столбика будет равен

а давление q, развиваемое силой тяжести на 1 см2:

или q - hdg дин/см2, где g - ускорение силы тяжести см/сек2.
Условие равновесия требует, чтобы

По формуле Лапласа, если капилляр имеет цилиндрическую форму,

где и R2 - радиусы кривизны верхнего и нижнего менисков.
Вставляя эти выражения в предыдущее уравнение, получаем:

Таким образом, мы устанавливаем, что условием равновесного состояния такого столбика воды, как бы подвешенного в капилляре, является неодинаковость кривизны верхнего и нижнего менисков. Очевидно, что верхний мениск должен иметь большую кривизну, а нижний - меньшую. Образующаяся разность поверхностных давлений, направленная снизу вверх, должна уравновесить силу тяжести, направленную сверху вниз.
Если мы будем продолжать вводить воду в наш капилляр, то по мере увеличения высоты столбика воды h величина hdg в уравнении также будет возрастать. Условия равновесия требуют возрастания и той величины, которая находится в правой части уравнения:

В ней величина а является постоянной; величина R1 (радиус кривизны верхнего мениска) также постоянная и равная:

где θ - угол смачивания. Поэтому правая часть уравнения может увеличиваться только за счет уменьшения величины 1/R2 и, следовательно, увеличения величины R.
Иными словами, кривизна нижнего мениска с увеличением высоты столбика воды будет уменьшаться, вследствие чего поверхностное давление его будет увеличиваться при постоянном поверхностном давлении верхнего мениска. В конце концов наступит момент, обозначенный на рис. 12 буквой в, когда нижний мениск сделается плоским. В этот момент, очевидно

Нетрудно понять, что высота столбика в капилляре при этом сделается равной высоте капиллярного подъема при погружении конца капилляра с таким же радиусом в сосуд с плоской поверхностью воды.
При дальнейшем увеличении высоты столбика h нижний мениск примет уже выпуклую форму и величина R2 сделается в силу имеющегося условия положительной. Уравнение примет вид:

что на рис. 12 соответствует г и д. Кривизна нижнего мениска будет увеличиваться до тех пор, пока образующаяся на конце капилляра капля не оторвется и не упадет вниз. Этому моменту будет соответствовать максимальная величина высоты столбика.

Еще один частный случай капиллярных явлений, с которым нам нужно познакомиться, схематически показан на рис. 13. В этом случае в месте соприкосновения двух частиц (на рисунке они изображены шарообразными) образуется изолированное скопление воды, удерживаемое капиллярными силами. Боковая поверхность этого скопления имеет двоякую кривизну, которая измеряется радиусами r1 и r2. Кривизна, характеризуемая радиусом r1, является выпуклой, т. е. положительной, а кривизна, измеряемая радиусом r2 - вогнутой, т. е. отрицательной. Вся кривизна этой поверхности измеряется, таким образом, величиной 1/r1-1/r2, и поверхностное давление под этой поверхностью по формуле Лапласа равно:

Опыт и расчет показывают, что r2 всегда остается меньше r1. Поэтому величина, стоящая в скобках, всегда бывает отрицательной, а поверхностное давление, следовательно, ниже нормального. Такое скопление воды является устойчивым до некоторого определенного размера, за пределами которого давление воды начинает превышать разность между нормальным поверхностным давлением и давлением, существующим в этом скоплении, и избыток воды стекает.
Подобное отдельное скопление воды называется стыковым скоплением, так как оно образуется в точке стыка двух частиц.

Напряженное состояние поверхностного слоя жидкости, вызванное силами сцепления между молекулами этого слоя, называется поверхностным натяжением .

Сила поверхностного натяжения определяется по формуле F = al, где а - коэффициент поверхностного натяжения; l - длина контура, ограничивающего поверхность жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости имеет порядок Н/м (для воды - 0,07, для спирта - 0,02).

Наличием поверхностной пленки обусловлено образование пены на воде, представляющей собой скопление мелких пузырьков воздуха под этой пленкой; пузырьки приподнимают пленку, не прорывая ее. Слипание мокрых волос, мокрых песчинок и т.п. также связано с жидкими пленками, с их стремлением приобрести минимальную поверхность.

На поверхностное натяжение большое влияние оказывают находящиеся в ней примеси. Например, мыло, растворенное в воде, уменьшает ее коэффициент поверхностного натяжения от 0,073 до 0,045 Н/м. Вещество, ослабляющее поверхностное натяжение жидкости, называется поверхностно-активным. Эти вещества находят самое широкое применение в жизни. По отношению к воде поверхностно-активными являются нефть, спирт, эфир, мыло и многие другие жидкости.

Явление поднятия или опускания уровня жидкости в узких трубках (капиллярах), в связи с действием дополнительного давления, где а - коэффициент поверхностного натяжения, a R - радиус кривизны трубки, обусловленной искривленной поверхностью, называется капиллярностью.

Капиллярными свойствами обладает всякое пористое тело, например, фильтрованная бумага, сухой мел, разрыхленная почва и т.д. Пористые тела легко пропитываются смачивающими жидкостями и удерживают их. Для несмачивающих жидкостей, наоборот, эти тела являются непроницаемыми. Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике, например, для жизни растений, так как

способствуют поднятию воды и питательных растворов из почвы вдоль ствола растения. Процессы смачивания и капиллярности играют существенную роль и учитываются в текстильном производстве товаров для изготовления одежды.

Как известно, в процессе жизнедеятельности человеческого организма происходит постоянное выделение влаги, пота. Влага, (как жидкая, так и парообразная) собирается материалом одежды, а затем в зависимости от свойств этого материала перемещается внутри него и частично удерживается в нем, а частично выделяется наружу. Внутри пододежного пространства, как и в самих материалах одежды, непрерывно протекают капиллярные процессы, что решающим образом сказывается на комфортности и гигиеничности одежды.

На свободной поверхности жидкости происходит процесс испарения, при котором жидкость постепенно переходит в газообразное состояние. Процесс испарения состоит в том, что отдельные молекулы, находящиеся вблизи поверхности жидкости и имеющие более высокую, чем средняя, кинетическую энергию, преодолевают силы притяжения молекул и выходят за пределы жидкости. При этом молекула должна совершать работу против действия молекулярных сил, называемую работой выхода А в, а также работу Ад против сил внешнего давления (работа расширения). В связи с этим кинетическая энергия молекул уменьшается и переходит в потенциальную энергию молекул пара. Молекулы пара, находящиеся вблизи поверхности жидкости, могут притягиваться ее молекулами и вновь возвращаться в жидкость. Этот процесс называется конденсацией пара. На поверхности жидкости всегда происходят оба процесса: испарение и конденсация. Если количество испаряющихся и конденсирующихся молекул в единицу времени одинаково, то пар находится в динамическом равновесии с жидкостью, и такой пар называется насыщенным. На испарение массы т жидкости при постоянной температуре затрачивается количество теплоты Q n = m , где - удельная теплота испарения. Для воды при 0°С = 2,5-10 6 Дж/кг. При конденсации пара такое же количество теплоты выделяется.

Для ускорения испарения жидкости весьма важное значение имеет процесс удаления образующегося пара, что в природных условиях выполняет ветер.

Быстро испаряющиеся жидкости (аммиак, этиловый эфир, хлори­стый этил и т.д.) называются летучими. На этом принципе работает

бытовой холодильник. Принципиальная схема холодильного агрегата представлена на рис. 2.

В испарителе происходит испарение хладоагента. Рабочей жидкостью (хладоагентом) является фреон. Его формула CC1 2 F 2 . Под действием компрессора пары фреона поступают из испарителя в цилиндр компрессора и сжимаются адиабатически до давления в несколько атмосфер и нагреваются до температуры 30-40°С. Сжатый пар поступает в конденсатор, проходя через который, сжатый пар охлаждается до комнатной температуры и сжижается. Жидкость снова поступает в испаритель, и рабочий цикл холодильника повторяется. Цикл испарение-конденсация поддерживается с помощью компрессора, на работу которого затрачивается энергия, потребляемая из сети его двигателем (электромотором).

Испарение и конденсация играют исключительно важную роль в процессах влагооборота и теплообмена на земном шаре.

В основе капиллярного контроля лежит явление капиллярности, которое проще всего наблюдать на следующем опыте. В широкий сосуд с жидкостью опускаются капилляры – тонкие трубки. Как только торец капилляра смачивается жидкостью, то в капилляре жидкость поднимается гораздо выше уровня в сосуде. Высота капиллярного подъема h вычисляется по формуле:

где R – радиус капилляра, ρ – плотность жидкости, g – ускорение силы тяжести. Как видно из формулы, чем больше смачивание, тем больше капиллярный подъем. Радиус же капилляра обратно пропорционален h, т.е. чем меньше радиус, тем больше капиллярный подъем.

Влияние радиуса капилляра на высоту подъема жидкости:
а) смачивающая капилляр жидкость; б) несмачивающая жидкость

Отсюда следует: чем тоньше капиллярная трещина, тем глубже будет проникать в нее дефектоскопическая жидкость. При технологической операции проявления очень важно, чтобы проявителя было как можно меньше. Тогда индикаторная жидкость будет более эффективно извлекаться капиллярными силами проявителя из дефекта и образовывать след на поверхности слоя проявителя, т.е. дефект будет обнаружен.

Для любых жидкостей можно подсчитать радиус трубки, при котором явление капиллярности не проявляется, когда подъём жидкости пренебрежимо мал. Для воды, например, подъём в стеклянных трубках диаметром около 3,6 мм уже не наблюдается невооруженным глазом, т.е. капиллярами условно можно считать трубки диаметром менее 3,0 мм и соответственно дефекты (трещины, поры и др.) раскрытием менее 3 мм можно считать тоже капиллярными.

Как наблюдается на практике и видно на рисунках, при контакте жидкости с твердой плоской поверхностью или стенками капилляра граница раздела «жидкость – твердая стенка – газ» всегда искривляется. В капиллярных трубках жидкость (точнее, граница газа и жидкости) прогибается с кривизной радиусом r, образуется поверхность, которую называют мениском. В капилляре в случае смачивания мениск вогнутый, в случае несмачивания – выпуклый.

В этих примерах силы смачивания можно рассматривать как силы, приложенные к линии соприкосновения жидкости и твердого тела (капилляра). Их можно рассматривать также как силу натяжения поверхности мениска, образуемого жидкостью в капилляре. Эта поверхность представляет собой растянутую куполообразную пленку, стремящуюся сократиться. Отсюда вводится понятие капиллярного давления, равное отношению действующей на мениск силы к площади поперечного сечения трубки: (формула Лапласа).

Капиллярное давление в щели с плоскими параллельными стенками, расположенными на расстоянии H друг от друга, рассчитывается по аналогичной формуле.

Извлечение жидкости капилляром меньшего радиуса из капилляра большего радиуса (R 1 > R 2). Модель технологической операции проявления

Формулы закона Лапласа (Пьер-Симон Лаплас, 1806 г.) определяют зависимость капиллярного давления Р к от средней кривизны поверхности раздела граничащих фаз (например, воды и воздуха в капилляре) и поверхностного натяжения σ.

– это разность давлений по обе стороны искривленной поверхности раздела фаз (жидкость – пар или двух жидкостей), находящихся в капилляре, вызванная поверхностным (межфазным) натяжением. Капиллярное давление, как и высота подъёма, увеличивается с увеличением смачиваемости и уменьшением радиуса капилляра. В трубках с меньшим диаметром жидкость поднимается на большую высоту, чем в трубках с большим диаметром, т.к. при этом капиллярное давление больше.

В случае если жидкость в одном капилляре привести в контакт с другим капилляром меньшего радиуса, то жидкость из первого капилляра будет извлекаться и перетекать во второй на высоту, соответствующую радиусу второго капилляра. Может произойти так, что в сосуде на дне жидкости не останется вообще, она вся уйдет в более тонкие капилляры.

Аналогичные процессы происходят и при проявлении пористым проявителем. Пенетрант извлекается из капиллярного дефекта порами капиллярного порошкового проявителя (их величина пропорциональна расстоянию между частицами порошка). Процесс идет тем быстрее, чем меньше поры порошкового проявителя. Одновременно происходят и другие явления (диффузия, адсорбция и др.).

В заключение следует еще раз подчеркнуть, что смачивание является непременным условием проявления капиллярности и, следовательно, необходимым условием реализации капиллярного неразрушающего контроля. В этой статье рассмотрены причины заполнения капилляров жидкими смачивающими средами, в частности, капиллярное давление Р к. Кинетика заполнения капилляров и законы миграции жидких дефектоскопических жидкостей в капиллярных несплошностях рассмотрены в соответствующем разделе.