8 месяцев назад
Нету коментариев

Напомним вкратце некоторые физико-химические и физические свойства воды, которые играют существен­ную роль во взаимоотношениях между почвенной влагой и твердыми частицами почвы.

 

1. Строение молекул воды и явления гидратации

Химический состав воды, как известно, выражается формулой Н2О. Следовательно, молекула воды состоит из двух одновалентных положительных ионов водорода и одного двухвалентного отрицательного иона кислоро­да. Сочетание двух положительных и двух отрицатель­ных зарядов, казалось бы, должно сообщать молекуле воды электрическую нейтральность. Однако на самом де­ле это не совсем так.

Дело в том, что ионы водорода и ион кислорода в молекуле воды расположены не на одной прямой линии, а образуют треугольник, как это изображено на рис. 5. Благодаря такому несимметричному расположению ио­нов вершина треугольника, образованная ионом кисло­рода, сохраняет отрицательный заряд, а его основание, образованное двумя ионами водорода, имеет положи­тельный заряд. Таким образом, в целом молекула воды, несмотря на свою электронейтральность, оказывается телом с двумя полюсами: отрицательным и положительным. Такие молекулы называются дипольными, или «диполями».

Строение молекулы воды

Строение молекулы воды

Вследствие своей дипольности молекулы воды могут вступать в связь между собой, притягиваясь одна к дру­гой полюсами противоположного знака, и с другими те­лами, обладающими тем или иным зарядом, например, с ионами электролитов, находящихся в растворе, заря­женными положительно или отрицательно. В последнем случае наблюдается гидратация ионов, которая заключается в том, что дипольные молекулы воды, при­тянутые ионом, несущим заряд того или иного знака, об­разуют вокруг него водную — гидратную — оболочку, как это показано схематически на рис. 6.

Строение гидратной оболочки

Строение гидратной оболочки

Степень гидратации, т. е. число диполей воды, обра­зующих гидратную оболочку вокруг иона вещества, за­висит от природы последнего. Это число возрастает с увеличением валентности иона и уменьшается с увеличе­нием его радиуса. Точные числа гидратации ионов пока неизвестны. По-видимому, ионы могут притягивать до 20—30 молекул воды. Ион водорода притягивает только одну молекулу воды.

Благодаря явлениям гидратации растворение в воде любого вещества сопровождается химическим взаимодействием между растворителем и растворяемым веществом.Гидратироваться могут не только ионы, но и целые мо­лекулы растворенных веществ.

 

2. Капиллярные явления. Их природа

Явления, объединяемые под названием капиллярных; возникают на границе раздела трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В основе этих явлений лежат силы, дей­ствующие между молекулами жидкости, с одной сторо­ны, и между молекулами жидкости и молекулами твер­дого тела — с другой. Силы эти по своей природе отно­сятся к категории так называемых сил Ван-дер-Ваальса.

Рассмотрим сначала явления, возникающие на грани­це раздела двух фаз — жидкой и газообразной, примени­тельно к воде.

Силы притяжения, существующие и действующие между молекулами воды, вызывают на поверхности раз­дела явление, называемое поверхностным натя­жением. Оно заключается в следующем.

Любая молекула внутри достаточно толстого слоя воды находится под влиянием притяжения со стороны всех окружающих ее молекул, взаимно притягивая их. Вследствие хаотического расположения этих молекул и их постоянного теплового движения исходящие от них силы притяжения, действующие на эту молекулу в каждый данный момент, не являются уравно­вешенными, поэтому и молекула также находится в со­стоянии постоянного движения. Но в среднем воздей­ствия, оказываемые соседними молекулами на данную молекулу, за некоторый промежуток времени уравнове­шивают друг друга, в результате чего данная молекула не имеет предпочтительного движения в какую-либо опреде­ленную сторону.

Иное явление имеет место в поверхностном слое во­ды, около границы раздела с газообразной фазой. Пред­ставим себе молекулу, находящуюся в определенный момент на самой поверхности слоя (рис. 7, а). Очевидно, что она будет притягиваться как молекулами жидкой во­ды, так и наполняющими пространство над ее поверхно­стью молекулами водяного пара. Благодаря тому, что плотность жидкости несравненно больше, чем плотность пара, направленная вниз равнодействующая по своей ве­личине будет гораздо больше, чем равнодействующая, на­правленная вверх. Вследствие этого молекула, находя­щаяся на поверхности, будет в конечном счете испытывать одностороннее притяжение, направленное к массе воды. В таком положении будут находиться не только собственно поверхностные молекулы, но и все молекулы, находя­щиеся в слое воды некоторой толщины, равной радиусу действия сил молекулярного притяжения (рис. 7, б). Этот радиус превышает радиус самих молекул, но не намного, так как силы молекулярного притяжения с увеличением расстояния затухают очень быстро.

Поверхностный слой жидкости

Поверхностный слой жидкости

Молекулы поверхностного слоя, находясь под влия­нием указаного односторонне направленного притяже­ния, будут, очевидно, оказывать давление на всю массу жидкости. Это давление называется поверхност­ными доходит для воды до 11 000 атм. Именно благо­даря такому большому поверхностному давлению жид­кости обладают весьма малой сжимаемостью: они уже сжаты им.

Вследствие существования поверхностного давления, направленного к массе воды, любой объем последней стремится принять такую форму, при которой его по­верхность была бы наименьшей. Поэтому всякому объ­ему воды присуще стремление принять форму шара как тела с минимальной поверхностью при данном объеме.

Подобное стремление было бы свойственно жидкости, помещенной в сосуд с упругой, растяжимой оболочкой, сделанной, например, из тонкой резины. Поэтому со­здается впечатление, что поверхность всякой жидкости, в том числе и воды, как бы покрыта тонкой пленкой, стремящейся сократиться, т. е. как бы находящейся в со­стоянии натяжения. Отсюда и возникло представление о поверхностном натяжении, присущем поверхности всех жидкостей.

Поверхностное натяжение — величина, характерная для данной жидкости. Эту величину принято обозначать через а (альфа) и выражать в динах на один линейный сантиметр. При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Для воды при 0° поверхностное натяжение равно 75,7 дин/см.

Вернемся теперь к вопросу о поверхностном давлении. Величина его зависит от формы поверхности жидкости, причем эта зависимость в общем случае выражается уравнением Лапласа:

F_002

где: P1 — величина давления при данной кривизне по­верхности;

а — величина поверхностного натяжения; R1 и R2 — главные радиусы кривизны поверхности.

Последние величины положительны, если поверхность воды выпукла, и отрицательны, если она вогнута. Нетрудно видеть, что при условии, когда

F_003

т. е. при плоской поверхности,

F_004

иными словами, P0 есть не что иное, как поверхностное давление при плоской поверхности, называемое обычно нормальным поверхностным давлением. Давление под всякой вогнутой поверхностью бу­дет меньше, а под выпуклой — больше, чем под плоской, ибо под вогнутой поверхностью

F_005

и

F_006

а под выпуклой поверхностью

F_007

и

F_008

Все эти явления и количественные зависимости отно­сятся, как мы говорили, к случаю раздела двух фаз: жидкой и газообразной.

Обратимся теперь к случаю соприкосновения трех фаз: твердой, жидкой и газообразной.

Если мы поместим на плоскую поверхность твердого тела каплю жидкости, она будет находиться под влияни­ем трех сил: 1) силы тяжести, которая будет стремиться расплющить эту каплю, т. е. довести ее толщину до воз­можно минимальных размеров; 2) силы притяжения между молекулами твердого тела и молекулами жидко­сти, которые тоже будут стремиться уменьшить толщину капли до возможно меньших размеров, т. е. до мономоле­кулярного слоя; это последнее стремление носит назва­ние смачиваемости твердого тела жидкостью; 3) силы поверхностного натяжения, которая будет стре­миться придать капле минимальную поверхность, т. е. стянуть ее в шар.

В результате совместного действия этих трех сил кап­ля жидкости примет форму тем более сплюснутую, чем больше силы притяжения между молекулами твердого тела и жидкостью по сравнению с межмолекулярными силами притяжения, присущими самой жидкости. При этом поверхность жидкости по линии контакта всех трех называемый углом смачивания и измеряемый как угол фаз образует с твердым телом некоторый угол (тэта), между поверхностью твердого тела и касательной к по­верхности жидкости, проведенной в точке контакта.

На рис. 8 изображены величины этих углов в основ­ных случаях. Чем больше этот угол, тем меньше смачи­ваемость, и наоборот.

Хорошее, среднее и плохое смачивание

Хорошее, среднее и плохое смачивание

Явления смачивания имеют место и в том случае, ес­ли поверхность твердого тела, погруженного частично в жидкость, образует с поверхностью жидкости тот или иной угол. В этом случае описанные явления выражают­ся в искривлении поверхности жидкости в более или ме­нее узкой полоске, прилегающей к по­верхности твердого тела. При хорошем смачивании (6<90°) поверхность жид­кости по линии соприкосновения с твердым телом несколько приподни­мается, а при плохом смачивании (0>90°) она несколько опускается (рис. 9).

Приподнимание и опускание края жидкости при разном смачивании

Приподнимание и опускание края жидкости при разном смачивании

Вода хорошо смачивает большин­ство тел, но угол смачивания редко достигает 0°. Последнее имеет место при смачивании только вполне чистых поверхностей стекла, металлов, крем­незема. Достаточно, однако, присут­ствия загрязняющего слоя толщиной лишь в одну молекулу, чтобы величи­на угла смачивания резко увеличи­лась.

Далее, величина угла смачивания зависит от того, какая поверхность твердого тела — сухая или предвари­тельно смоченная — приходит в соприкосновение с жид­костью. При погружении в воду сухой пластинки угол смачивания бывает всегда больше, чем при вынимании мокрой пластинки из воды.

 

3. Капиллярные явления в трубках малого диаметра

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 (0<90°) и выпуклый при плохом смачивании (0>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 ОВ‘ обозначим через R, центр его кривизны через О, радиус трубки через г. Линия АВ‘ — 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 6, поэтому

F_009

В случае полного смачивания 6 = 0 и R = rКак 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

F_010

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

F_011

где Р1 — поверхностное давление в узком капилляре.

Мениск в цилиндрическом капилляре

Мениск в цилиндрическом капилляре

Равновесное состояние воды в цилиндрических капиллярах

Равновесное состояние воды в цилиндрических капиллярах

Отсюда

F_012

Эта разность есть то «отрицательное давление», кото­рое создается в результате образования мениска. Превы­шение поверхностного давления в сосуде 0над 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 dгидростатическое давление столбика через Q и ускорение силы тя­жести через gнайдем, что Q = Hdg дин/см2. Очевидно, что

F_013

следовательно,

F_014

При полном смачивании и плотности воды, равной единице,

F_015

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 a (g = 981 см/сек2 и а=74 дин/см), имеем:

F_016

откуда получаем формулу Жюрена:

F_017

где Н—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.

Подвешивание воды в цилиндрических капиллярах

Подвешивание воды в цилиндрических капиллярах

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 Р1 верхне­го мениска, направленного тоже вниз, и поверхностного давления Р2 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

F_018

а давление qразвиваемое силой тяжести на 1 см2:

F_019

или q hdg дин/см2, где g — ускорение силы тяжести см/сек2.

Условие равновесия требует, чтобы

F_020

По формуле Лапласа, если капилляр имеет цилин­дрическую форму,

F_021

где R1 и R2 — радиусы кривизны верхнего и нижнего менисков.

Вставляя эти выражения в предыдущее уравнение, получаем:

F_022

откуда:

F_023

и

F_024

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:

F_025

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

F_026

где 0 — угол смачивания. Поэтому правая часть уравнения может увеличиваться только за счет уменьшения величины 1/R2 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

F_027

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 Rсделается в силу имеющегося условия положительной. Уравнение примет вид:

F_028

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.

Водная манжета между двумя шарообразными частицами

Водная манжета между двумя шарообразными частицами

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:

F_029

Опыт и расчет показывают, что r2 всегда остается мень­ше r1Поэтому 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.

 

4. Капиллярные явления в зернистых пористых средах

В заключение попробуем применить только что ска­занное о капиллярных явлениях к поведению воды в по­ристых средах, состоящих из мелких частиц, какой яв­ляется и почва. В качестве модели такой среды возьмем песок. Приготовим песчаный столб, наполнив песком стеклянную трубку, завязанную с одного конца марлей. Погрузим этот конец трубки в сосуд с водой так, как это показано на рис. 14. Вода, естественно, войдет в ту часть песчаного столба, которая опущена в воду. Но на этом проникновение воды в песок не закончится. Мы увидим, что вода поднимается в песчаном столбе над уровнем во­ды в сосуде — это легко заметить по потемнению смачи­ваемого песка. Граница между смоченным инесмоченным песком получается очень резкая. Эта граница по мере вхождения воды в песчаный столб будет подниматься все выше и выше, но скорость ее передвижения с тече­нием времени уменьшается. Через несколько часов или несколько десятков часов подъем воды в песчаном столбе прекратится.

Распределение влаги в песчаном столбе

Распределение влаги в песчаном столбе

Если мы теперь определим послойно влажность в песчаном столбе, то получим кривую (рис. 14). На этом рисунке на оси ординат нанесена высота от уровня воды в сосуде, а на оси абсцисс — влажность песка в про­центах от его полной влагоемкости, т. е. степень насыще­ния влагой порового пространства в песке.

Рассматривая эту кривую, мы видим, что сверху, до гра­ницы смачивания, идет слой «сухого» песка с ничтожной влажностью, соответствующей его воздушно-сухому со­стоянию. Вниз от границы смачивания влажность начи­нает возрастать, причем кривая принимает S-образную форму. На уровне воды в сосуде влажность достигает максимума, который отвечает полному насыщению пес­ка водой.

Чем же объясняется подъем воды в песчаном столбе и указанное распределение влаги по окончании подъема?

Когда мы погружаем нижний конец песчаного стол­ба в воду, она входит в столб и заполняет поры в песке. Частицы песка хорошо смачиваются водой, вследствие чего (в соответствии со сказанным выше о капиллярных явлениях) в порах песка образуются вогнутые мениски, из которых и слагается поверхность воды, вошедшей в трубку. Поверхностное давление под такой поверхностью будет ниже, чем под плоской поверхностью воды в сосуде. В силу этой разности давлений вода начнет вдавливать­ся в песчаный столб и подниматься в нем (рис. 15).

Капиллярный подъем влаги в песчаном столбе

Капиллярный подъем влаги в песчаном столбе

В песчаном столбе появляется как бы пучок извили­стых узловатых водяных нитей, продвигающихся вверх, каждая из которых увенчана вогнутым мениском. Эти нити связаны друг с другом и в боковом направлении во­дяными перемычками. Поднимающиеся вверх водяные нити проходят через систему то расширяющихся, то су­жающихся пор. Рано или поздно каждый мениск, вен­чающий нить, достигает поры настолько широкой, что поверхностное давление, соответствующее его кривизне в этой поре, окажется таким, что разность между нормаль­ным поверхностным давлением во внешнем сосуде и давлением под этим мениском уравновесится гидростати­ческим давлением водяной нити. В результате дальнейшее продвижение вверх этой нити воды прекратится. Чем уже пора, в которой наступает указанное уравновешивание и прекращается дальнейший рост нити, тем выше над уров­нем воды в сосуде поднимается вода в поре и тем больше будет гидростатическое давление нити воды под данным мениском.

А так как размер пор в песке имеет определенный минимальный предел, то и вода, поднимающаяся по ка­пиллярам, может достичь лишь определенной высоты, соответствующей наименьшему возможному диаметру пор. Чем выше поднимается вода, тем меньше вероятность, что поднимающаяся вверх нить минует более крупную пору, в которой она может остановиться. Поэтому, чем выше над уровнем воды в сосуде находится слой песка, тем меньшее число нитей в него проникает и тем меньше будет его влажность (рис. 15). Следовательно, влажность убывает в направлении вверх от уровня воды в сосуде. Весь слой песка от уровня воды в сосуде до начала слоя сухого песка называется капиллярной каймой, а содержащаяся в этом слое влага — капиллярной влагой. Кривая, изображающая изменение содержа­ния капиллярной влаги, называется капиллярной кривой.

Мощность капиллярной каймы соответствует предель­ной высоте капиллярного подъема влаги.

Распределение влаги в песчаном столбе, изображен­ное на рис. 14, можно получить не только в результате капиллярного подъема влаги снизу, но и путем подачи воды на поверхность столба сверху в количестве, превы­шающем то, которое необходимо для сквозного промачи­вания всего столба. После того как из нижнего конца столба в сосуд стечет весь избыток воды, в нем устано­вится распределение влаги, изображенное кривой на рис. 14. Эта кривая вполне подобна кривой с той толь­ко разницей, что влажность песка в верхней части стол­ба выше, так как вместо воздушно-сухого песка мы име­ем в этом слое песок смоченный. Кроме того, вся кривая располагается несколько выше кривой в силу того, что капиллярный подъем в смоченном песке происходит более легко и доходит до большей высоты.

Капиллярная кайма, как следует из сказанного, гид­равлически связана с водой в наружном сосуде. Дока­зать эту связь очень легко.

Приготовим, как и прежде, песчаный столб, промо­чим его сверху водой и опустим нижним концом в со­суд с водой так, чтобы погруженной в воду оказалась значительная часть столба (рис. 16). Дождемся уста­новления равновесия в капиллярной кайме, к которому относится кривая на рис. 16. Уровень воды в со­суде при этом будет стоять на высоте а, а верхняя гра­ница капиллярной каймы — на высоте К1Опустим теперь уровень воды в сосуде до высоты б и определим распределение воды в песчаном столбе. Оно изо­бразится кривой 2. Из нее мы видим, что капиллярная кайма опустилась вниз параллельно самой себе, т. е. внутри каймы сохраняется присущее ей распределение влаги. Верхняя граница каймы теперь находится на вы­соте К2, причем разность высот К1 и К2 равна разности высот а и б. Такое смещение явилось следствием пониже­ния уровня воды в сосуде, из чего следует, что капилляр­ная кайма гидравлически связана с водой во внешнем сосуде. Вода во внешнем сосуде как бы «подпирает» воду в капиллярной кайме, в силу чего воду в кайме называют, по предложению Н. А. Качинского, капил­лярно-подпер­той водой.

Изменение распределения влаги в песчаном столбе

Изменение распределения влаги в песчаном столбе

Тот факт, что вла­га капиллярной кай­мы обладает гидра­влической сплошно­стью, т. е. способна передавать гидравли­ческое давление, мо­жет быть доказан еще и следующим об­разом. Приготовим, как и ранее, песча­ный столб такой вы­соты, чтобы он не превышал предель­ной высоты капил­лярного подъема, свойственной данно­му песку. Промочим весь столб водой, для чего погрузим его це­ликом, вплоть до верхнего конца, в со­суд с водой. Затем вынем столб из воды и дадим стечь из­бытку свободной гравитационной влаги. Так как высота столба, по условию, не превышает предельной высоты ка­пиллярного подъема в данном песке (уровень К — К на рис. 17, б), то капиллярная кайма в столбе (рис. 17, а) будет начинаться с верхней поверхности столба. Если те­перь мы подадим на эту поверхность небольшое количество (несколько капель) воды, то увидим, что из нижнего конца колонны немедленно вытечет примерно такое же количество воды. Эта быстрота реакции указывает на то, что вытекание воды из нижнего конца столба начи­нается не потому, что прилитая вода просочилась через весь столб, а в результате повышения гидравлического давления, вызванного добавлением воды сверху, которое передается вниз по столбу практически мгновенно. Вы­текание воды восстанавливает нарушенное равновесие между гидравлическим давлением водного тела и капил­лярными силами, присущими менискам, ограничивающим водное тело сверху и снизу.

Капиллярное поднятие

Капиллярное поднятие

Иную картину мы получаем в том случае, когда вы­сота столба больше предельной высоты капиллярного поднятия. Проделаем совершенно такой же опыт, но со столбом, высота которого заведомо значительно превос­ходит предельную -высоту капиллярного подъема воды. После стекания избытка воды и установления равнове­сия между гидравлическим давлением и капиллярными силами, распределение воды в столбе будет таким, как оно изображено на рис. 17,6. Верхняя граница капилляр­ной каймы находится на уровне К — К. Если мы подадим небольшое количество воды на верхнюю поверхность столба (рис. 17, в), то в этом случае вытекание воды из нижнего конца столба начнется не немедленно, как в пре­дыдущем опыте, а лишь спустя некоторое время, которое будет тем больше, чем больше высота части столба, рас­положенной над уровнем К — К. Оно начнется лишь пос­ле того, как прилитая сверху вода просочится от верхней поверхности столба до уровня К — К, т. е. до верхней границы капиллярной каймы. Это было доказано Лебе­девым, который приливал на верхнюю поверхность стол­ба не чистую воду, а слабый раствор соли лития и пока­зал, что вытекание воды начинается в тот момент, когда раствор соли достигнет уровня К — К. Из этого опыта мы видим, что водное тело, находящееся в столбе над уров­нем КК, не передает гидравлического давления, а ниже уровня К — К — передает его, т. е. обладает гидравличе­ской сплошностью.

Мощность капиллярной каймы, т. е. предельная вы­сота капиллярного подъема, зависит, очевидно, от разме­ра пор: чем меньше их диаметры, тем больше кривизна менисков и тем выше должна подниматься вода. А так как размер пор зависит от размера частиц, то чем мельче частицы, тем мельче поры и тем больше высота капил­лярного подъема. Однако, как увидим ниже, высота ка­пиллярного подъема имеет свой предел, за которым дальнейшее уменьшение диаметра пор уже не вызывает ее увеличения.

comments powered by HyperComments