Капилляры (ЕГЭ-ОГЭ)

Капилля́ры (от лат. capillaris — волосяной) — чрезвычайно тонкие трубки, в которых на движение жидкости влияют капиллярные эффекты.

Капиллярные эффекты — физические явления, обусловленные поверхностным натяжением; жидкости при этом демонстрируют различное поведение в зависимости от того, смачивают ли они стенки капилляра. При смачивании уровень жидкости в трубке повышается, а при отсутствии смачивания — понижается.

Если один конец стеклянного капилляра опустить в воду в сосуде, то через непродолжительное время столбик воды в капилляре превысит уровень воды в сосуде, поскольку вода смачивает стенки капилляра.

Если провести тот же опыт с ртутью, то уровень ртути в капилляре окажется ниже уровня ртути в сосуде, так как ртуть не смачивает стенки стеклянного капилляра.

Смачивание — процесс взаимодействия трёх контактирующих фаз вещества. В системе «стеклянный капилляр — вода» такими фазами являются вода, стекло и водяной пар (воздух). Без ограничивающих стенок вода расплывается, и её поверхность (за исключением краёв) остаётся практически плоской. При появлении границы поверхность приобретает кривизну и формируется мениск.

Мениск — искривлённая поверхность жидкости у плоской стенки или нити. По сути, это разделяющая поверхность между веществом в одной фазе и веществом в другой фазе, например между жидкостью и газом. Форма мениска определяется балансом сил поверхностного натяжения и силы тяжести. В капиллярах мениск имеет сферическую форму: при смачивании он выпуклый, а при отсутствии смачивания — вогнутый. Давление под вогнутым мениском меньше, чем под плоской поверхностью жидкости, а под выпуклым — больше, что приводит к втягиванию или выталкиванию жидкости из капилляра. Давление насыщенных паров над мениском всегда отличается от давления над плоской поверхностью жидкости. Вогнутость или выпуклость мениска может определяться двояко — по отношению к жидкости и по отношению к капилляру. В данном случае вогнутость и выпуклость определены к капилляру, согласно названию статьи. По отношению к жидкости мениск напротив, вогнутый при смачивании, и выпуклый при не смачивании стенок капилляра.

Сосудистая система человека и животных представлена обширной сетью капилляров, по которой перемещаются кровь и лимфа. В растениях также имеются капилляры, через которые жидкости и питательные вещества доставляются от корневой системы к листьям, соцветиям и плодам.

Капиллярные явления находят применение в быту и технике — например, в свечах, лампадах, впитывающих полотенцах и других приборах.

Высоту подъёма жидкости в капилляре определяют по формуле Жюрена:

${\displaystyle h={\frac {2\sigma \cos \theta }{\rho gr}}}$,

где ${\displaystyle \sigma }$ — сила поверхностного натяжения, ${\displaystyle \theta }$ — краевой угол смачивания, ${\displaystyle \rho }$ — плотность жидкости в капилляре, ${\displaystyle r}$ — радиус капилляра.

Предполагая, что подъём (или опускание) жидкости прекратится при уравновешивании силы поверхностного натяжения и силы тяжести, получают выражение для высоты столбика жидкости в капилляре:

${\displaystyle h={\frac {2\sigma }{\rho gR}}}$,

где ${\displaystyle \sigma }$ — сила поверхностного натяжения, ${\displaystyle \rho }$ — плотность жидкости в капилляре, ${\displaystyle R}$ — радиус кривизны мениска.