Реферат по дисциплине "Медицинская биофизика" на тему "Капиллярное явление" студент гр. 111Б



Pdf көрінісі
бет5/8
Дата04.04.2023
өлшемі327 Kb.
#78989
түріРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8
Теория Юнга и Лапласа 
Если стеклянная трубка, столь же узкая внутри, как волос (лат. capillus), 
погру­жа­ется в воду, то жидкость поднимается внутри трубки до высоты 
боль­шей, чем снаружи. Эффект не мал: высота поднятия около 3 см в трубке с 
кана­лом в 1 мм. Это кажущееся нарушение законов гидростатики (открытке 
кото­рых было достижением науки XVII в.) вызвало на пороге XVIII в. 
возрастаю­щий ин­терес к капиллярным яв­лениям. Интерес был двояким. Во-
первых, хоте­лось ви­деть, можно ли охарактеризо­вать поверхности жидкостей 
и твердых тел некото­рым простым механическим свой­ством, таким, как 
со­стояние натяжения, кото­рое могло бы объяснить наблюдаемые явления. 
Следовало объяснить, на­при­мер, почему вода в трубке поднимается, тогда как 
ртуть опускается; почему поднятие воды между параллельными пластинами 
вдвое меньше, чем в трубке с диаметром, равным расстоянию между 
пластинами; почему поднятие обратно пропор­ционально этому диаметру. 
Вторая причина инте­реса происходила из понимания того, что наблюдались 
эффекты, которые должны возникать в ре­зультате действия сил ме­жду 
частицами вещества, и что изучение этих эффек­тов, следовательно, должно дать 
какие-то сведения о таких силах и, возможно, о самих частицах. 
До появления теорий Юнга и Лапласа. 
Первооткрывателем капиллярных явлений считается Леонардо да Винчи 
(Leonardo da Vinci). Однако первые аккуратные наблюдения капиллярных 
яв­лений на трубках и стеклянных пластинках были проделаны Фрэнсисом 
Хокс­би в 1709 году). 
То, то вещество не является бесконечно делимым и имеет атомную или 
моле­ку­лярную структуру, было рабочей гипотезой для большинства ученых 
на­чиная с XVIII в. К концу XIX в., когда группа физиков, сторонников 
позити­ви­стской 
фило­софии, 
ука­зала, 
каким 
непрямым 
являлось 


10 
доказательство суще­ст­вования атомов, на их заявление последовала лишь 
незначительная реакция, и в итоге их возражения не были опроверг­нуты до 
начала этого столетия. Если в ретроспективе к сомнения ка­жутся нам 
неосно­вательными, мы должны пом­нить, что почти все, кто тогда верил в 
существование ато­мов, верили также твердо в материальное существование 
электро­магнитного эфира, а в первой по­ловине XIX в. — часто и теплорода. 
Тем не менее ученые, внесшие наиболь­ший вклад в теорию газов и жидкостей, 
использовали предположение (обычно в яв­ной форме) о дискретной структуре 
вещества. Элемен­тарные частицы мате­рии называли атомами, или молекулами 
(например, Лаплас), или просто части­цами (Юнг), но мы бу­дем следовать 
современным понятиям и упот­реблять слово «молекула» для элементар­ных 
частиц, составляющих газ, жид­кость или твердое тело. 
В начале XIX в. силы, которые могли бы существовать между молекулами, 
были так же не ясны, как и сами частицы. Единственной силой, в отношении 
кото­рой не было сомнения, была ньютоновская гравитация. Она действует 
ме­жду небес­ными те­лами и, очевидно, между одним таким телом (Землей) и 
дру­гим (например, яблоком), имеющим лабораторную массу; Кавендиш 
незадолго до этого показал, что она дейст­вует и между двумя лабораторными 
массами, а потому предполагалось, что она дейст­вует также между молекулами. 
В ранних работах по жидкостям можно найти массы молекул и плотности масс, 
входя­щие в уравнения, в которых мы теперь должны писать числа молекул и 
плотно­сти чисел молекул. В чистой жидкости все молекулы имеют одинаковую 
массу, так что это различие не играет роли. Но еще до 1800 г. было ясно, что 
понятия о гравитационных силах недостаточно для объясне­ния капиллярных 
явле­ний и других свойств жидкостей. Поднятие жидкости в стек­лянной трубке 
не зависит от толщины стекла (по данным Хоксби , 1709 г.), и, таким образом, 
только си­лы со стороны молекул в поверхностном слое стекла действуют на 
молекулы в жидкости. Гравитационные же силы лишь обратно 
пропорциональны квадрату расстояния и, как было известно, действуют 


11 
свободно через промежуточ­ное ве­щество. 
Природа межмолекулярных сил, отличных от сил тяготения, была весьма 
неяс­ной, но в измышлениях не было недостатка. Священник-иезуит Роджер 
Боскович (Ruggero Giuseppe Boscovich) полагал, что молекулы отталкиваются на 
очень малых расстояниях, притягиваются при несколько больших расстоя­ниях 
и затем по мере увеличения рас­стояния демонстрируют попеременно 
от­талкива­ние и притяжение со все уменьшаю­щейся величиной. Его идеи в 
сле­дующем столетии оказали влияние как на Фарадея, так и на Кельвина, но 
были слишком сложными, чтобы оказаться непосредственно полез­ными для 
тех, кто занимался теорией капиллярности. По­след­ние благоразумно 
доволь­ствовались простыми гипотезами. 
Куинк (G.H. Quincke) поставил эксперименты по определению 
наибольше­го рас­стояния, на котором действие межмолекулярных сил 
ощутимо. Он полу­чил, что для различных веществ эти расстояния составляют ~ 
1/20000 часть миллиметра, т.е. ~ 5·10–6 см (данные приведены согласно). 
Джеймс Джурин показал, что высота, на которую поднима­ется жидкость, 
опре­де­ляется верхней частью трубки, которая находится над жидкостью, и не 
зависит от формы нижней части трубки. Он считал, что подня­тие жидкости 
происходит благо­даря притяжению со стороны внутренней ци­линдрической 
по­верх­ности трубки, к которой примыкает верхняя поверхность жидкости. 
Исходя из этого, он показал, что поднятие жидкости в трубках из одинакового 
вещества обратно про­порционально их внутрен­нему радиусу. 
Клеро был одним из первых, кто показал необхо­ди­мость принятия во 
вни­мание притяжения между частицами самой жидкости для объяснения 
капилляр­ных явлений. Он, однако, не признавал, что рас­стояния, на которых 
дейст­вуют эти силы, не­ощу­тимо малы. 


12 
В 1751 г. фон Сегнер ввел важную идею по­верхно­стного натяжения по 
анало­гии с механическим натяжением мембраны в теории уп­ругости. Сего­дня 
понятие поверх­ностного натяжения является зау­рядным, с него обычно 
на­чинают изучение капилляр­ных сил и поверхностных явлений в учебных 
заведе­ниях. 
Эта идея стала ключевой в дальнейшем развитии теории. Собственно, тем 
са­мым был сделан первый шаг в изучении явления — введено 
феноменологиче­ское понятие, описывающее макроскопическое поведение 
системы. Второй шаг — это вывод феноме­нологических понятий и вычисление 
значений величин, ис­ходя из мо­лекулярной тео­рии. Этот шаг имеет огромную 
важность, так как яв­ляется проверкой правильности той или иной молекулярной 
теории. 
В 1802 г. Джон Лесли привел первое корректное объяснение подъ­ема 
жидкости в трубке, рассматривая притяжение между твердым телом и тонким 
слоем жидкости на его поверхности. Он, в отличие от большинства преды­дущих 
исследователей, не предполагал, что сила этого притяжения на­правлена вверх 
(непосредственно для под­держания жидкости). Напротив, он показал, что 
притяже­ние всюду нормально к по­верхности твердого тела. 
Прямой эффект притяжения — увеличение давления в слое жидкости, 
на­ходя­щемся в контакте с твердым телом, так, что давление становится выше, 
чем внутри жидкости. Результатом этого является то, что слой стремится 
"растечься” по по­верх­ности твердого тела, останавливаемый лишь силами 
гра­витации. Таким обра­зом, стек­лянная трубка, погруженная в воду, 
смачивается водой всюду, куда та "смогла до­ползти”. Поднимаясь, жидкость 
образует столб, вес которого в конце концов уравно­вешивает силу, 
порождающую рас­текание жидкости. 


13 


Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7   8




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет