Общие представления о капиллярных явлениях и способах изменения�капиллярности почвы�
ГУО «Плисская детский сад-средняя школа
Глубокского района»
Учитель физики Кмита Светлана Генриховна
Цель факультативного занятия: расширить представление учащихся о поверхностном натяжении и капиллярных эффектах, о применении капиллярных явлений в сельскохозяйственном производстве.
Поверхностный слой жидкости обладает особыми свойствами. Молекулы жидкости в этом слое находятся в непосредственной близости от другой фазы – газа. Молекула, расположенная вблизи границы раздела жидкость – газ, имеет ближайших соседей только с одной стороны, поэтому сложение всех сил, действующих на эту молекулу, дает равнодействующую, направленную внутрь жидкости. Следовательно, любая молекула жидкости, находящаяся вблизи свободной поверхности, имеет избыток потенциальной энергии, по сравнению с молекулами, находящимися внутри.
Для того чтобы перевести молекулу из объема жидкости на поверхность, необходимо совершить работу. При увеличении поверхности определенного объема жидкости внутренняя энергия жидкости увеличивается. Эта составляющая внутренней энергии пропорциональна площади поверхности жидкости и называется поверхностной энергией. Величина поверхностной энергии зависит от сил молекулярного взаимодействия и количества ближайших соседних молекул. Для различных веществ поверхностная энергия принимает разные значения. Энергия поверхностного слоя жидкости пропорциональна его площади: Е= σ ·Ѕ
Величина силы F, действующей на единицу длины границы поверхности, определяет поверхностное натяжение жидкости: σ =F/L; σ- коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.
Явления смачивания
сил притяжения между молекулами жидкости, то жидкость будет растекаться
по поверхности твердого тела (рис.1, а). Это явление называют смачиванием.
2. Если сила притяжения между молекулами жидкости и твердого тела меньше сил
притяжениямежду молекулами жидкости, то жидкость не будет растекаться по
поверхности твердого тела,а будет собираться в каплю, стремясь уменьшить свою
свободную поверхность (рис.1, б). Такое явление называют несмачиванием.
Рис.1 Явления смачивания (а) и несмачивания (б) жидкостью поверхности
твердого тела (ϴ— краевой угол)
Краевой угол - угол, образуемый поверхностью твердого тела и касательной, проведенной к поверхности жидкости в точке соприкосновения (жидкость находится внутри угла)
Ø Если краевой угол равен 0◦, смачивание называют полным или идеальным
(Пример: растекание спирта по чистой поверхности стекла. Жидкость растекается по поверхности твердого тела до тех пор, пока не покроет всю поверхность).
Ø Если краевой угол равен 180◦, наблюдается полное несмачивание. В этом случае жидкость не прилипает к поверхности твердого тела и легко скатывается с нее.
(Пример: подобное явление можно наблюдать, когда мы пытаемся вымыть жирную поверхность холодной водой)
Изогнутую поверхность жидкости называют мениском.
Смачивающая и несмачивающая жидкости
То, что поверхность искривляется, приводит к изменению давления,
причем давление больше с вогнутой стороны мениска
(той, где находится центр кривизны). Именно этим и объясняется подъем и опускание столбика жидкости.
Величина избыточного давления по формуле Лапласа:
Для сферической капли и
Капиллярные явления. Под капиллярными явлениями понимают подъём или опускание жидкости в узких трубках, называемых капиллярами. Если жидкость смачивает капилляр, то при его частичном погружении в сосуд с этой жидкостью её уровень в капилляре выше, чем в сосуде (рис. 1). При несмачивании уровень жидкости в капилляре устанавливается ниже уровня жидкости в сосуде (рис. 2-3). Такое явление наблюдают, например, при частичном погружении стеклянного капилляра в ртуть.
Высота подъёма (опускания) жидкости в капилляре зависит от свойств жидкости (плотности, наличия примесей, температуры) и радиуса капилляра, а также вещества, из которого он изготовлен (рис. 57.8). Если жидкость полностью смачивает капилляр, то высоту её подъёма в капилляре определяют по формуле
где r — радиус капилляра, σ — поверхностное натяжение жидкости, ρ — плотность жидкости. Если жидкость полностью не смачивает капилляр, то h — глубина, на которую она опускается в капилляре.
Капиллярные явления играют значительную роль в природе и технике. Так, ствол, ветви, стебель и листва растений пронизаны множеством капиллярных каналов, по которым поступают питательные вещества. По капиллярам в почве грунтовые воды поднимаются к корневой системе растений. Мелкие кровеносные сосуды человека и животных можно также рассматривать как капилляры.
Капиллярные явления довольно часто встречаются и в быту. Полотенца хорошо впитывают воду при вытирании, в авторучке чернила поступают к перу по капилляру. Чтобы избежать поглощения воды кожаной обувью, её обрабатывают специальными водоотталкивающими средствами.
Капиллярные явления лежат в основе множества технических процессов: при смазке деталей машин и механизмов применяют фитильный способ; при окраске кожи и тканей краска заполняет капилляры изделия; чтобы избежать капиллярного подъёма воды из почвы, при строительстве домов фундамент отделяют от стен рубероидом или битумом.
Способы изменения капиллярности почвы�
Сама почва, источник питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных трубочек, по которым в зависимости от структуры и обработки быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворёнными в ней веществами. Высота подъёма жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр. Отсюда ясно, что для сохранения влаги надо почву перекапывать, а для осушения – утрамбовывать.
Подкорневой или капиллярный полив.
Применение капиллярной системы орошения предполагается либо требованиями по уходу за тем или иным растением, когда необходима постоянная и не интенсивная поливка, либо экономией воды, если участок располагается в засушливой зоне, где отмечается недостаток влаги. Здесь не требуется применения насосов, система напрямую подключена к домашнему водопроводу вместо насосов устраиваются специальные дозаторы. Вода поступает на участок самотеком, а дозаторы устанавливают частоту капель, которые через форсунки выделяются на землю.
Проникновение влаги из почвы в растения, в стебли и листья
Капиллярная влагоемкость — способность почв и грунтов удерживать в своей толще максимально возможное количество капиллярной воды (без перехода ее в гравитационную форму), выраженное в весовых или объемных процентах или в кубических метрах на 1 га.
Чем плоха глинистая почва – пересыхая она трескается и в эти трещины вода уходит куда то к центру земли, и влага не достается растениям, даже при поливе.
Вспаханная земля сохнет медленнее, чем невспаханная, потому что происходит разрушение капилляров, и влага не поднимается на поверхность почвы. Чтобы во время засухи и суховеев сохранить влагу на полях, надо уменьшить испарение, для этого нужно разрушить капилляры. Это достигается разрыхлением почвы. По капиллярам находящаяся в почве вода поднимается вверх и интенсивно испаряется.
Ранневесеннее боронование зяби, озимых посевов
Это один из первых агроприёмов в системе весенних полевых работ при обработке зяби и чёрного пара. При разрыхлённой и выровненной пашне в верхнем слое почвы нарушаются капиллярные связи, создаётся рыхлый, мульчирующий слой, который защищает содержащуюся в почве воду от испарения.
Все почвы обладают водными свойствами, одним из которых является водоподъемная способность почвы. Водоподъемная способность – это способность почвы медленно втягивать в себя воду по капиллярным порам под действием менисковых сил, то есть сцепление воды с почвенными частицами. Высота и скорость поднятия воды зависят от ширины капилляров: чем меньше их диаметр, тем выше подъем воды. В крупных капиллярах поднятие влаги происходит на меньшую высоту, но с большей скоростью. Все почвы обладают водными свойствами, одним из которых является водоподъемная способность почвы. Водоподъемная способность – это способность почвы медленно втягивать в себя воду по капиллярным порам под действием менисковых сил, то есть сцепление воды с почвенными частицами. Высота и скорость поднятия воды зависят от ширины капилляров: чем меньше их диаметр, тем выше подъем воды. В крупных капиллярах поднятие влаги происходит на меньшую высоту, но с большей скоростью.
Прикатывание – это прием обработки почвы, обеспечивающий уплотнение и выравнивание поверхности почвы. Его применяют как до посева, так и после посева. Предпосевное прикатывание применяется в сухую погоду - это способствует сохранению влаги в нижних слоях почвы, особенно на легких почвах. Оно предотвращает выдувание верхнего слоя почвы. Послепосевное прикатывание улучшает контакт семян с почвой, улучшается доступ влаги по мелким капиллярам и тем самым обеспечивает появление дружных всходов. В зонах с засушливым климатом оно способствует уменьшению испарения влаги из почвы.
Гладкие водоналивные катки
Гладкие водоналивные катки можно применять для прикатывания только легких, песчаных и супесчаных почв, которые не обладают мягкостью и связностью и после прикатывания не образуют на поверхности почвенной корки, которая способствует испарению влаги.
Кольчато-шпоровые катки
Кольчато-шпоровые катки применяют для прикатывания тяжелых глинистых и суглинистых почв, так как эти почвы обладают высокой липкостью и связностью, глинистые частицы при наличии влаги набухают. После прикатывания таких почв кольчато-шпоровыми катками уплотняются нижние слои почвы, а верхний слой остается разрыхленным. При этом по восстановленным капиллярам обеспечивается доступ влаги к семенам. Они набухают и дружно прорастают.
Практическая работа
«Расчет высоты поднятия жидкости в капилляре»
Цель: расчет высоты поднятия жидкости в капилляре, определение объема пор в почве.
Порядок выполнения работы:
1. Решение задач.
Задача 1. Средняя высота сосны 30 метров. Найдите радиус капилляра, если плотность воды 1000 кг/м3, σ = 0,073 Н/м.
Задача 2. Найти разность уровней жидкости в двух капиллярных трубках, опущенных в жидкость. Плотность жидкости 800 кг/м3. Внутренние диаметры капилляров 0,04 см и 0,1 см. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости 22×10-3 Н/м.
Задача 3. Мыльная вода вытекает из капилляра по каплям. В момент отрыва капли диаметр ее шейки равен 1 мм. Масса капли 0,0129 грамм. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды.
Задача 4. Одно колено U – образной трубки имеет радиус r1 = 0,5 мм, а другое — r2 = 1 мм. Найти разность уровней воды в коленах. Коэффициент поверхностного натяжения воды σ = 0,073 Н/м. Смачивание полное.
2. Лабораторная работа.
Определение объема пор в почве (порозность).
Оборудование: градуированный цилиндр на 500 мл (2 шт.), ванночка с почвой.
Порозность почвы представляет собой общую сумму всех свободных промежутков между почвенными частицами выраженную в процентах к взятому объему почвы.
Порозность почвы зависит от величины почвенных частиц, их формы и структуры. В мелкозернистых почвах порозность выше, чем в крупнозернистых, т.к. при уменьшении размеров почвенных зерен возрастает количество их и пор между собой.
Порозность почвы имеет большое значение, поскольку от нее зависит проницаемость почвы для воды и воздуха.
Различные виды почв имеют и разную порозность: песчаные почвы – 30-40%; глинистые – выше 50%; болотные – 84%.
Выполнение анализа: В градуированный цилиндр на 500 мл высыпают 250 мл почвы и наливают 250 мл воды.
После смешивания почвы с водой и заполнении всех пор определяют объем смеси и производят расчеты.
Р = (А – Б) – К / В · 100
где: Р – порозность почвы, %; А – объем почвы, мл; Б – объем воды, мл; К – объем смеси почвы и воды, мл; В – сумма объемов почвы и воды, мл.