Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Поверхностное натяжение и поверхностная энергия

2-2-1. Введение. Молекулы жидкости притягиваются друг к другу. Молекула внутри жидкости будет притягиваться другими расположенными вокруг нее молекулами. В среднем сила притяжения оказывается одинаковой по всем направлениям, и, следовательно, результирующее воздействие будет равно нулю. Когда молекула расположена на поверхности жидкости или вблизи нее, силы притяжения уже не будут уравновешиваться и появится результирующая сила, направленная внутрь жидкости. Вследствие этого жидкость будет стремиться принять такую форму, при которой площадь ее поверхности окажется минимальной, т. е. форма капли, свободно падающей в вакууме будет сфера. Из-за этого самопроизвольного стремления к сокращению поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой резиновой мембране.

Для увеличения площади поверхности следует совершить работу над жидкостью. Энергия, затраченная на выполнение этой работы, известна как поверхностная энергия, а соответствующая величина свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади этой поверхности, обозначается символом ог

Эта сила, приходящаяся на единицу длины, известна как поверхностное натяжение. Она численно равна поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади поверхности, в любой согласующейся системе единиц, например, Il/м или Дж/м2.

Значения поверхностного натяжения для ряда жидкостей приведены в приложении 1.

Поскольку скрытая теплота парообразования L является мерой притяжения между молекулами жидкости, можно ожидать, что поверхностная энергия или поверхностное натяжение о"; связано с L. Указанная связь на самом деле существует. Твердые тела также обладают свободной поверхностной энергией. Установлено, что ее значение аналогично значению свободной поверхностной энергии этого же материала в расплавленном состоянии.

Если жидкость находится в контакте с твердой поверхностью, то на молекулы жидкости, расположенные вблизи этой твердой поверхности, в дополнение к силам, действующим со стороны остальных молекул жидкости, действуют силы со стороны молекул твердого тела. В зависимости от того, будет ли это результирующее взаимодействие между жидкостью И твердым телом притягивающим или отталкивающим, поверхность жидкости у границы твердого тела изогнется ниружу или внутрь, как это показано на 2-2,6. В качестве наиболее хорошо известных примеров действия результирующих сил притяжения и отталкивания соответственно можно упомянуть поведение воды и ртути.

В том случае, когда наблюдается притяжение, говорят о «смачивании» жидкостью твердой поверхности.

Условием смачивания является снижение в результате смачивания полной поверхности энергии системы, т. е. должно выполняться условие в котором индексы s, I, v относятся соответственно к твердой, жидкой и паровой фазам, как это показано на 2-3.

Разность давлений на искривленной поверхности. Одним из следствий существования поверхностного натяжения является то, что давление Над вогнутой поверхностью меньше, чем над выпуклой. Эта разность давлений АР связана с поверхностной энергией Ст; и радиусом кривизны поверхности Л (см. 2-2,в). Соотношение между указанными величинами может быть" получено следующим образом.

Если мы рассмотрим полусферическую поверхность, то силы поверхностного натяжения, действующие по периметру, равны 2nRai. Они уравновешиваются силами давления, действующими на поверхность полусферы и равными

Если поверхность характеризуется двумя радиусами кривизны, взятыми в двух взаимно перпендикулярных сечениях (Я, и #2), то можно показать, что

Из-за этой разности давлений в вертикальной трубе радиуса г уровень жидкости, смачивающей материал стенки, устанавливается на высоте h над уровнем плоской поверхности жидкости (2-4).

Этот эффект известен как капиллярное поднятие илн капиллярность, именно она является основной движущей силой для перемещения жидкости в обычной тепловой трубе.

В случае иссмачивающих жидкостей искривленная поверхность погружается ниже уровня плоской поверхности. В тепловых "-рубах всегда используются смачивающие жидкости.

2-5. Поднимающийся и опускающийся   столб   жидкости  в  капиллярной структуре.

а — положение   поверхности   раздела    при подъеме  столба   жидкости;   б — положение поверхности раздела  при   опускании   столба жидкости.

2-2-4. Измерение поверхностного натяжения. Существует большое количество методов измерения поверхностного натяжения жидкости. Они описываются в хорошо известных работах [2-2] и [2-3]. Нас интересует величина Oicos9 как мера капиллярных сил. Простейшим методом измерения значений этой величины является определение высоты капиллярного поднятия h в трубе, после чего можно рассчитать искомое значение как

На практике при проектировании тепловой трубы необходимо знать также г — эффективный радиус поры. Последний весьма сложно определить каким-либо методом, поскольку фигиль тепловой трубы изготовляется из спеченного пористого материала или из нескольких слоев высокопористой ткани. Измеряя максимальную высоту поднятия рабочей жидкости, можно получить информацию о значении капиллярного напора для различных сочетаний рабочая жидкость — фитиль. Данные по значениям максимального поднятия в различных структурах опубликованы рядом исследователей, и некоторые результаты приведены в гл. 3. Результаты экспериментов для^одной и той же структуры могут отличаться друг от друга в зависимости от того, происходило поднятие или же опускание мениска. Причина этого явления становится ясной из 2-5.

Другим используемым простым методом определения Oi является метод Бера или метод максимального давления в пузырьке, принцип которого  иллюстрируется   2-6.  Давление  в   пузыре   постепенно увеличивают, пока Пузырь не оторвется, после чего давление падает.