Капілярні явища та їх вивчення

Вступ

Якщо скляна трубка, настільки ж вузька усередині, як волосся (лат. capillus), занурюється у воду, то рідина піднімається усередині трубки до висоти більшої, ніж зовні. Ефект не малий: висота підняття близько 3 див у трубці з каналом у 1 мм. Це удаване порушення законів гідростатики (листівці яких було досягненням науки XVII в.) викликало на порозі XVIII в. зростаючий інтерес до капілярних явищ. Інтерес був двояким. По-перше, хотілося бачити, чи можна охарактеризувати поверхні рідин і твердих тіл деякою простою механічною властивістю, таким, як стан натягу, що могло б пояснити явища, що спостерігаються. Випливало пояснити, наприклад, чому вода в трубці піднімається, тоді як ртуть опускається; чому підняття води між рівнобіжними пластинами вдвічі менше, ніж у трубці з діаметром, рівним відстані між пластинами; чому підняття назад пропорційне цьому діаметру. Друга причина інтересу походила з розуміння того, що спостерігалися ефекти, що повинні виникати в результаті дії сил між частками речовини, і що вивчення цих ефектів, отже, повинне дати якісь зведення про такі сили і, можливо, про самі частки.

До появи теорій Юнга і Лапласа.

Першовідкривачем капілярних явищ вважається Леонардо да Вінчі (Leonardo da Vinci). Однак перші акуратні спостереження капілярних явищ на трубках і скляних пластинках були пророблені Френсисом Хоксбі в 1709 році).

Те, що речовина не є нескінченно діленим і має атомну чи молекулярну структуру, було робочою гіпотезою для більшості вчених починаючи з XVIII в. До кінця XIX в., коли група фізиків, прихильників позитивістської філософії, указала, яким непрямим був доказ існування атомів, на їхню заяву пішла лише незначна реакція, і в підсумку їхнього заперечення не були спростовані до початку цього сторіччя. Якщо в ретроспективі до сумніви здаються нам безпідставними, ми повинні пам'ятати, що майже усі, хто тоді вірив в існування атомів, вірили також твердо в матеріальне існування електромагнітного ефіру, а в першій половині XIX в. — часто і теплорода. Проте вчені, які внесли найбільший внесок у теорію газів і рідин, використовували припущення (звичайно в явній формі) про дискретну структуру речовини. Елементарні частки матерії називали атомами, чи молекулами (наприклад, Лаплас), чи просто частками (Юнг), але ми будемо випливати сучасним поняттям і вживати слово “молекула” для елементарних часток, що складають газ, чи рідину тверде тіло.

На початку XIX в. сили, що могли б існувати між молекулами, були так само не ясні, як і самі частки. Єдиною силою, у відношенні якої не було сумніву, була ньютонівська гравітація. Вона діє між небесними тілами і, мабуть, між одним таким тілом (Землею) і іншим (наприклад, яблуком), що має лабораторну масу; Кавендіш незадовго до цього показав, що вона діє і між двома лабораторними масами, а тому передбачалося, що вона діє також між молекулами. У ранніх роботах по рідинах можна знайти маси молекул і щільності мас, що входять у рівняння, у яких ми тепер повинні писати числа молекул і щільності чисел молекул. У чистій рідині всі молекули мають однакову масу, так що це розходження не грає ролі. Але ще до 1800 р. було ясно, що поняття про гравітаційні сили недостатньо для пояснення капілярних явищ і інших властивостей рідин. Підняття рідини в скляній трубці не залежить від товщини скла (за даними Хоксби , 1709 р.), і, таким чином, тільки сили з боку молекул у поверхневому шарі скла діють на молекули в рідині. Гравітаційні ж сили лише назад пропорційні квадрату відстані і, як було відоме, діють вільно через проміжну речовину.

Природа міжмолекулярних сил, відмінних від сил тяжіння, була дуже неясної, але у вигадництвах не було недоліку. Священик-єзуїт Роджер Боскович (Ruggero Giuseppe Boscovich) думав, що молекули відштовхуються на дуже малих відстанях, притягаються при трохи великих відстанях і потім у міру збільшення відстані демонструють поперемінно відштовхування і притягання з усі зменшуваною величиною. Його ідеї в наступному сторіччі вплинули як на Фарадея, так і на Кельвіна, але були занадто складними, щоб виявитися безпосередньо корисними для тих, хто займався теорією капілярності. Останні розсудливо задовольнялися простими гіпотезами.

Клеро був одним з перших, хто показав необхідність прийняття в увагу притягання між частками самої рідини для пояснення капілярних явищ. Він, однак, не визнавав, що відстані, на яких діють ці сили, невідчутно малі.

У 1751 р. фон Сегнер увів важливу ідею поверхневого натягу за аналогією з механічним натягом мембрани в теорії пружності. Сьогодні поняття поверхневого натягу є пересічним, з його звичайно починають вивчення капілярних сил і поверхневих явищ у навчальних закладах.Ця ідея стала ключовий надалі розвитку теорії. Власне, тим самим був зроблений перший крок у вивченні явища — уведене феноменологічне поняття, що описує макроскопічне поводження системи. Другий крок — це висновок феноменологических понять і обчислення значень величин, виходячи з молекулярної теорії. Цей крок має величезну важливість, тому що є перевіркою правильності тієї чи іншої молекулярної теорії.