Капілярні явища та їх вивчення

У 1802 р. Джон Лесли привів перше коректне пояснення підйому рідини в трубці, розглядаючи притягання між твердим тілом і тонким шаром рідини на його поверхні. Він, на відміну від більшості попередніх дослідників, не припускав, що сила цього притягання спрямована нагору (безпосередньо для підтримки рідини). Навпроти, він показав, що притягання усюди нормальне до поверхні твердого тіла.

Прямий ефект притягання — збільшення тиску в шарі рідини, що знаходиться в контакті з твердим тілом, так, що тиск стає вище, ніж усередині рідини. Результатом цього є те, що шар прагне “розтектися” по поверхні твердого тіла, що зупиняється лише силами гравітації. Таким чином, скляна трубка, занурена у воду, змочується водою усюди, куди та “змогла доповзти”. Піднімаючи, рідина утворить стовп, вагу якого зрештою врівноважує силу, що породжує розтікання рідини.

Ця теорія не була записана за допомогою математичних символів і тому не могла показати кількісний зв'язок між притяганням окремих часток і кінцевим результатом.

Теорії Юнга і Лапласа.

У 1804 р. Томас Юнг [7] обґрунтував теорію капілярних явищ на принципі поверхневого натягу. Він також спостерігав сталість кута змочування рідиною поверхні твердого тіла (крайового кута) і знайшов кількісне співвідношення, що зв'язує крайовий кут з коефіцієнтами поверхневого натягу відповідних межфазних границь. У рівновазі контактна лінія не повинна рухатися по поверхні твердого тіла, а виходить, говорив

(1)

де SV, SL, LV — коефіцієнти поверхневого натягу межфазних границь тверде тіло – газ (пара), тверде тіло – рідина, рідина – газ відповідно,  — крайовий кут. Це співвідношення тепер відоме як формула Юнга. Ця робота все-таки не зробила такого впливу на розвиток науки в цьому напрямку, яке зробила вишедшая декількома місяцями пізніше стаття Лапласа (Pierre Simon Laplace). Це, очевидно, зв'язане з тим, що Юнг уникав використання математичних позначень, а намагався описувати всі словесно, отчого його робота здається заплутаної і неясною. Проте він вважається сьогодні одним із засновників кількісної теорії капілярності.

Явища когезії й адгезії , конденсація пари в рідину, змочування твердих тіл рідинами і багато інших простих властивостей речовини — усі вказувало на наявність сил притягання, у багато разів більш сильних, чим гравітація, але діючих тільки на дуже малих відстанях між молекулами. Як говорив Лаплас, єдина умова, що випливає з явленийЕЪ, що спостерігаються, що накладається на ці сили, полягає в тому, що вони “невідчутні на відчутних відстанях”.

Сили відштовхування створювали більше турбот. Їхня наявність не можна була заперечувати — вони повинні врівноважувати сили притягання і перешкоджати повному руйнуванню речовини, але їхня природа була зовсім неясною. Питання ускладнювалося двома наступними помилковими думками. По-перше, часто вважалося, що діючою силою відштовхування є тепло (як правило, думка прихильників теорії теплорода), оскільки (така була аргументація) рідина при нагріванні спочатку розширюється і потім кипить, так що молекули роз'єднуються на набагато більші відстані, чим у твердому тілі. Друга помилкова думка виникла з представлення, що веде назад до Ньютона, відповідно до якого тиск газу, що спостерігається, відбувається внаслідок статичного відштовхування між молекулами, а не через їхні зіткнення зі стінками судини, як марне доводив Даниель Бернуллі.На цьому тлі було природно, що перші спроби пояснити чи капілярність узагалі зчеплення рідин ґрунтувалися на статичних аспектах речовини. Механіка була теоретичною галуззю, що розуміється добре, науки; термодинаміка і кінетична теорія були ще в майбутньому. У механічному розгляді ключовим було припущення про великий, але короткодействующих силах притягання. Спочиваючі рідини (у чи капілярній чи трубці поза нею) знаходяться, мабуть, у рівновазі, а тому ці сили притягання повинні врівноважуватися силами відштовхування. Оскільки про неї можна було сказати ще менше, ніж про сили притягання, їх часто обходили мовчанням, і, говорячи словами Релея, “силам притягання надавалося виконувати немислимий трюк зрівноважування самих себе”. Лаплас першим задовільно розв'язав цю проблему [8], думаючи, що сили відштовхування (теплові, як він допускав) можна замінити внутрішнім тиском, що діє повсюдно в нестисливій рідині. (Це припущення приводить часом до невизначеності в роботах XIX в. у відношенні того, що строго розуміється під “тиском у рідині”.) Приведемо розрахунок внутрішнього тиску по Лапласові. (Цей висновок ближче до висновків Максвелла [2] і Релея [10]. Висновок приводиться по [9] .)

Воно повиннео врівноважувати сили зчеплення в рідині, і Лаплас ототожнював це із силою на одиницю площі, що чинить опір поділу нескінченного рідкого тіла на два роз'єднува далеко напівнескінченних тіла, обмежених плоскими поверхнями. Приведений нижче висновок ближче до висновків Максвелла і Релея, чим до оригінальної форми Лапласа, але істотного розходження в аргументації немає.