Текст выступления:

Сұйықтың беттік керілуі. Жұғу, капиллярлық құбылыс
1. Сұйықтың беттік керілуі, жұғу және капиллярлық құбылысқа кіріспе

Ғылыми зерттеу саласында сұйықтардың беткі қасиеттерін түсіну маңызды орын алады. Бұл қасиеттер табиғаттағы көптеген процестердің негізін құрап, техника мен биология сияқты салаларда кеңінен қолданылады. Сұйықтардың беттік керілуі, жұғу және капиллярлық құбылыс сияқты физикалық құбылыстар олардың ерекше қасиеттері мен әсерлерін ашады. Осы сөйлесу арқылы біз осы күрделі, бірақ маңызды тақырыптарға алғашқы қадамдар жасаймыз, негізгі түсініктер мен құбылыстарды қарастырамыз.

2. Сұйықтық қасиеттерін зерттеудің тарихи кезеңдері

XIX ғасырдағы Томсон, Янг, Лаплас, және Гаусс сынды ғалымдардың молекулалық әрекеттерге жүргізген зерттеулері сұйықтардың беттік қасиетін тереңдетті. Бұл кезеңде олардың жұмыстары тек ғылыми теория ретінде қалып қоймай, сонымен қатар медицинадан техникаға дейінгі түрлі салаларда практикалық қолданылды. Ғалымдардың көзқарастары сұйықтықтың молекулалық деңгейдегі өзара әрекеттерін түсінуге негіз болды, бұл күнделікті өмір мен индустрияның маңызды құбылыстарын түсінуге мүмкіндік берді.

3. Сұйықтың беттік керілуінің түсінігі

Сұйықтың беттік керілуі — бұл сұйықтың бетінің ауданын минимизациялауға тырысатын күш, оның түпкі себебі сұйық молекулаларының бір-біріне тартылуында жатыр. Бұл күрделі процесте беткі молекулалар ішкі молекулаларға қарағанда сыртқы күштерге ұшырайды, осының арқасында сұйық бетінде ерекше физикалық қасиеттер пайда болады. Мысалы, сұйық тамшыларының домалақ пішіні және олардың беткі қабатының беріктігі дәл осы беттік керілуге байланысты. Молекулалық деңгейде мұндай керілу сұйықтықтың сыртқы ортамен қарым-қатынасын реттейді.

4. Беттік керілу коэффициенті мен ерекшеліктері

Беттік керілу коэффициенті, әдетте σ символымен белгіленіп, Ньютон/метр (Н/м) өлшем бірлігімен өлшенеді. Мысалы, 20 градуста судың беттік керілу коэффициенті шамамен 0,0728 Н/м-ге тең. Бұл көрсеткіш сұйық молекулалары арасындағы тартылыс күшінің көрінісі. Сонымен қатар, температураның өзгеруі және сұйық құрамындағы қоспалар коэффициенттің мәніне айтарлықтай ықпал етеді. Температура көтерілген сайын беттік керілу коэффициенті төмендейді, себебі молекулалар қозғалысы артып, байланыстар әлсірейді. Ерітінділер мен қоспалар да молекулалық тартылудың сипатын өзгертіп, керілуге әсер етеді.

5. Беттік керілудің молекулалық негіздері

Сұйықтың ішіндегі молекулалар барлық жақтан бірдей тартылуға ұшырайды, сол себепті олар тепе-теңдікте болады. Бірақ беткі молекулалар жағдайы өзгеше: олар сыртқа қараған кезде теңгерімсіз күштерге ұшырайды, өйткені сыртқы жағында молекула жоқ. Осы теңгерімсіздіктен беткі молекулалар ішкі молекулаларды тартады, бұл сұйық бетінің қысқаруына әкеледі. Нәтижесінде сұйықтың бетінде ерекше керілу пайда болады, ол сұйықтың формасын сақтап, беттік үрдістерді қалыптастырады. Бұл механизм сұйықтарды зерттеуде молекулалық теорияның негізі саналады.

6. Беттік керілуге арналған күнделікті өмірдегі көріністері

Беттік керілу құбылысы күнделікті өмірде өз көрінісін жиі көрсетеді. Мысалы, су тамшылары жапырақ бетінде домалақ пішінде тұрады, бұл сұйықтың беттік керілуінің нәтижесі. Сондай-ақ, жәндіктердің су бетінде жүруі немесе судың бетіне шаяндардың секіруі осы құбылыстың дәлелдері болып табылады. Күнделікті тұрмыста су құйғанда су тамшыларының және беттің тұтастығының сақталуы — беттік керілуінің әсерінен туындайтын көріністер.

7. Беттік керілуге әсер ететін негізгі факторлар

Беттік керілу арқылы анықталатын қасиеттерге бірнеше фактор әсер етеді. Бұлардың бірі — температура. Температураның көтерілуі сұйық молекулаларының қозғалысын күшейтіп, беттік керілу күшін төмендетеді. Сонымен қатар, сұйық құрамындағы химиялық қоспалар, мысалы, сабынды заттар, беттік керілуін айтарлықтай азайтады және оның физикалық мінез-құлқын өзгертеді. Қоспалардың, сондай-ақ ластанудың болуы молекулалық тепе-теңдікті бұзып, беттік керілу процестеріне кері әсерін тигізеді. Бұл құбылыстардың нәтижесі көбінесе өндірістік және экологиялық салаларға әсер етеді.

8. Судың беттік керілуінің температураға байланысты өзгерісі

Температураның өсуі судағы молекулалардың энергетикалық белсенділігін арттырады, бұл беттік керілуді азайтады. Беттік керілу температураға тәуелділігі түрлі технологиялық процестерде ескеріліп, олардың тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Мысалы, салқындату және жылыту технологияларында судың беттік керілуін басқару маңызды. График көрсеткендей, температура мен беттік керілу арасында кері пропорционалдық бар, бұл молекулалық қарқындылық пен қозғалыстың өзара байланысын көрсетеді.

9. Жұғу құбылысының негізгі тұжырымдары

Жұғу — сұйық пен қатты дене арасындағы молекулалық тартылыс нәтижесінде пайда болатын құбылыс, ол екі материалдың адгезиясын сипаттайды. Мысалы, су мен шыны арасында жұғу күші жоғары, бұл судың шыныға жақсы жайылып, бетінде кең таралуына мүмкіндік береді. Ал сынаптың жұғу күші әлсіз болғандықтан, ол шыны бетінде домалақ тамшыдай қалады. Бұл құбылыстар материалдардың беттік энергиялары мен молекулалық құрылымдарының айырмашылығын көрсетіп, адгезия мен когезияның өзара қатынасын түсінуде маңызды.

10. Жұғу мен жұқпау құбылыстарының белгілі мысалдары

Су мен шыны бетіндегі жұғу үлкен күшпен сипатталады, бұл сұйықтың беттік керілуімен үйлесім тауып, судың шыныға толық жайылуын қамтамасыз етеді. Керісінше, лотос жапырағының беті суға жұқпайды, себебі оның гидрофобтық қасиеті мен ерекше микроструктурасы судың бетке жағымды әсерін төмендетеді. Осы құбылыстардың арқасында табиғаттағы су жапырақтары өзін таза ұстап, суды сіңірмейді, бұл капиллярлық құбылыстар мен беттік керілу арасындағы байланысты жақсы көрсетеді.

11. Беттік керілу мен жұғу арасындағы байланыс

Сұйық пен қатты дене арасындағы жұғу кезінде молекулалар арасында тартылыс күші, егер сұйықтың ішкі когезиялық күшінен күшті болса, сұйық бетінің жайылуын қамтамасыз етеді. Бұл құбылыс жұғу деп аталады және сұйықтың беткі кеңістігін кеңейтуге ықпал етеді. Керісінше, егер жұғу күші әлсіз болса, сұйық тамшы пішінін ұстап, беттік керілу басым болады. Мысалы, судың шыны бетінде жақсы жайылуы мен сынаптың домалақ тамшы ретінде қалуы осы қатынастың практикалық көріністері болып табылады.

12. Капиллярлық құбылыстың анықтамасы

Капиллярлық құбылыс — сұйықтың жіңішке түтіктерде немесе тесіктерде адгезиялық және когезиялық күштердің әсерінен көтерілуі немесе төмендеуі. Бұл процесс сұйық пен түтік бетінің молекулалық өзара әрекеттесуіне негізделеді. Сонымен қатар, гравитациялық күштер капиллярлық қозғалыстың жылдамдығы мен бағытына әсер етеді, олардың бағыттары қарсы тұруы мүмкін. Сұйықтық қозғалысының соңғы нәтижесі осы күштердің тепе-теңдігі мен материалдардың физикалық қасиеттеріне тәуелді болып табылады.

13. Капилляр эффектісінің практикалық көріністері

Капиллярлық құбылыс табиғат пен технологияда маңызды рөл атқарады. Мысалы, өсімдіктер тамырлары арқылы суды көтереді, бұл олардың тіршілігі үшін аса қажет процесс. Сондай-ақ, медицинада инелер мен микро түтіктерде дәрі-дәрмектердің таралуы осы құбылысты негіздейді. Күнделікті тұрмыста қағазды немесе губканы сұйықпен суланғанда олардың тез сіңуі дәл капиллярлық әсерге байланысты. Осылайша, капиллярлық құбылыстың кең ауқымды қолданыс аясы бар.

14. Әртүрлі сұйықтардың беттік керілу коэффициенттерінің салыстырмасы

Төрт түрлі сұйықтың беттік керілу көрсеткіштері олардың молекулалық құрылымдары мен өзара әрекеттесу күштеріне сай әр түрлі болып келеді. Мысалы, сынаптағы жоғары беттік керілу оның күшті молекулалық когезиясының дәлелі болса, судың көрсеткіші одан сәл төменірек келеді. Қоспаланған немесе органикалық сұйықтардың беттік керілу коэффициенттері әдетте төменірек, бұл олардың молекулалық байланыстарының әлсіздігін көрсетеді. Бұл салыстыру молекулалық деңгейдегі құбылыстардың көрнекі дәлелі болып табылады.

15. Капилляр түтіктердегі сұйықпен толу процесі

Капиллярлы түтіктерде сұйықтың қозғалысы бірнеше кезеңнен тұрады: алғашқы адгезия және сіңіру, жіңішке кеңістіктер арқылы таралу, соқырлық аймағында толуы және тұрақты тепе-теңдік күйіне келу. Әр кезеңде сұйық молекулаларының қозғалысы мен беттік күштерінің үйлесімі басым болады. Бұл процесс күрделі физикалық-химиялық өзара әрекеттестіктердің нәтижесі, оны зерттеу құралдардың сенімділігін арттырады және сұйықтарға қатысты зерттеулерде маңызды.

16. Капиллярлық биіктікті есептеудің формуласы

Капиллярлық биіктік — бұл сұйықтың жіңішке түтікте немесе жартылай жанасатын беттер бойымен көтерілу қабілетін сипаттайтын маңызды физикалық шама. Ол сұйықтың беттік керілу коэффициенті σ, ылғалдану бұрышы θ, сұйықтың тығыздығы ρ, еркін түсу үдеуі g және түтік радиусы r секілді негізгі физикалық параметрлер арқылы анықталады. Бұл параметрлердің өзара байланысы заттың табиғи қасиеттерін және сыртқы жағдайларды нақты бейнелейді. Мысалы, ылғалдану бұрышының өзгеруі сұйықтың бетімен материал арасындағы жұғу деңгейінің дәрежесін көрсетеді, ал тығыздық пен гравитация күштері сұйықтың салмағы мен кәдімгі қозғалысын анықтайды.

Капиллярлық биіктікті есептеудің классикалық формуласы мына түрде өрнектеледі: h = (2σcosθ) / (ρgr). Бұл формула сұйықтың түтік ішінде немесе жұқа каналдарда қалай көтерілетінін сандық бағалауға мүмкіндік береді. Оның көмегімен нақты жүйелерде сұйықтың көтерілу биіктігін немесе төмендеуін модельдеуге болады, бұл әсіресе ғылыми зерттеулер мен инженерлік есептерде өте пайдалы.

Осы формула негізінде сұйық пен материал арасындағы жұғу деңгейін назарға ала отырып, нақты биіктікті есептеу жүзеге асады. Яғни, бұл теңдеу тек теориялық мән емес, сонымен қатар тәжірибелік құрылғылар мен табиғи құбылыстың нақты көрсеткіші болып табылады. Капиллярлық көтерілу су мен сұйықтардың қоршаған ортамен өзара байланысын, сондай-ақ олардың микрожүйелердегі жүріс-тұрысын түсінуге үлкен септігін тигізеді.

17. Беттік керілу мен капиллярлық құбылыс табиғатта

Табиғат құбылыстарының көпшілігі капиллярлық эффект пен беттік керілуге негізделген. Мысалы, жаңбырдың тамшылары жапырақ бетінде ұсақ сулы тамшыларға айналады, бұл беттік керілу күші арқылы жүзеге асады. Бұл керілу тамшылардың пішіні мен тұрақтылығын анықтайды, ал жапырақтың беті мен тамшы арасындағы жұғу бұрышы судың табиғи таралуына әсер етеді.

Тағы бір мысал – ағаштардың тамыр жүйесінде су мен қоректік заттардың көтерілуі. Бұл процесс капиллярлық құбылыс арқасында жүреді, онда су талшығының ішіндегі сұйық ұзын және тар арналар арқылы жоғары көтеріледі. 19-шы ғасырда ғалым Джеймс Прескотт Жоуль мен Томас Янгтың зерттеулері су мен өсімдіктер арасындағы осы қарым-қатынасты ашуға үлкен үлес қосты.

Сонымен қатар, топырақтағы су таралуы да капиллярлық құбылыстың дәлелі. Су тамшылары мен топырақ қоласының бөлшектері арасындағы беттік керілу оларды бір-біріне тартып, топырақтың ылғалдылығын реттеуге мүмкіндік береді. Бұл құбылыс өсімдіктердің тамырлары арқылы суды соруын қамтамасыз етеді және экологиялық тепе-теңдікті сақтайды.

18. Саладағы қолданылуы және тәжірибелік маңызы

Капиллярлық құбылыстар мен беттік керілу медицина саласында қан алу түтіктерін жобалауда маңызды рөл атқарады, себебі олар арқылы қанның түтікте жылдам және тиімді қозғалысы қолданылады. Мұндай технологиялар диагностика мен емдеудің сенімділігін арттырады, әсіресе кан анализдерінде.

Ауыл шаруашылығында да капиллярлық эффект топырақтағы су мен ылғалдылықтың қозғалысын реттеу үшін кеңінен қолданылады. Бұл өсімдіктердің тамақтануын қамтамасыз етіп, өнімділікті арттыруға септігін тигізеді. Қазіргі уақытта фермерлер суару жүйелерін осындай биофизикалық принциптерге сүйене отырып жетілдіріп отыр.

Тұрмыста маталарды және қағаз өнімдерін суландыру кезінде беттік керілу мен жұғу қасиеттері судың біркелкі таралуын қамтамасыз етеді. Мұндай қасиеттер бояу және тазалау материалдарының тиімділігін арттырып, тұрмыстық технологиялардың дамуына мүмкіндік береді.

Сонымен бірге өндірістік техникада беттік керілу мен жұғу құбылыстары түрлі құрылғылардың жұмыс істеуіне маңызды әсер етіп, әсіресе химиялық тазалағыштар мен жабындар жасау саласында жаңа технологиялардың негізін қалыптастырады.

19. Зертханалық тәжірибелер мен бақылаулар

Беттік керілу күшін визуалдау үшін зертханалық тәжірибеде судың бетіне ине орналастырылады. Бұл тәжірибе арқылы судың бетінде молекулалардың бір-бірін тарту күші қалай әрекет ететінін көзбен көруге болады, яғни бет қабатының қасиеттерін сипаттауға мүмкіндік туғызады.

Сабын қосылған судың беткей керілуінің өзгерісін бақылау — адсорбция және беттік активті заттардың әсерін зерттеудің бір әдісі. Бұл тәжірибе сұйықтың беттік қасиеттерінің қалай өзгеретінін анықтауға көмектеседі әрі тұрмыстық және өнеркәсіптік химияда маңызды қолдану табады.

Сонымен қатар, капилляр түтіктегі сұйықтың көтерілу биіктігін өлшеу арқылы судың физикалық қасиеттері мен басқа сұйықтардың сипаттамаларын сандық бағалау мүмкіндігі ашылады. Бұл әдіс су мен сұйықтықтар туралы теориялық және практикалық білімді тереңдетеді, сондай-ақ инженерлік құрылғыларды жобалауда маңызға ие.

20. Сұйықтықтардың беткей құбылыстарының маңыздылығы

Сұйықтың беттік керілуі мен капиллярлық құбылыстар табиғатта қалыптасқан күрделі әрі маңызды механикалық процесс болып табылады. Олар түрлі салада — медицинадан бастап ауыл шаруашылығы және өндіріс техникасына дейін кең ауқымды қолданылады. Ғылым мен технологияның дамуында бұл құбылыстарды терең зерттеп, пайдалану жаңа инновациялық шешімдер мен материалдардың негізін құрайды. Мұндай зерттеулер қолданыс аясында ғылым мен өнеркәсіптің алдыңғы қатарына көтерілуіне, сондай-ақ экологиялық және экономикалық тиімділікке қол жеткізуге септігін тигізеді.

Дереккөздер

И.И. Зорин, «Физика поверхностных явлений», М., Наука, 2015.

В.В. Голубев, «Молекулярные основы капиллярности и поверхностного натяжения», СПб., 2018.

А.Б. Кадыров, «Свойства жидкостей и их применение», Алматы, 2020.

Физический энциклопедический словарь, Москва, 2020.

Н.Я. Янг, «Исследования молекулярного взаимодействия», Лондон, 1890.

Коптев И. В. Физика капиллярных явлений: теория и практика. — Москва: Наука, 2015.

Петрова Н. А. Биофизика воды и капиллярных систем. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2018.

Иванов С. М. Основы поверхностного натяжения и его применение в технике. — Екатеринбург: УрФУ, 2020.

Жоуль Д. П. Исследования по физике жидкостей. — Лондон, 1860.