Сила на сцепление и адхезия
Кохезионната сила е сила на привличане между молекули в подобно вещество, докато силата на привличане между молекули на неравномерно вещество се нарича сила на адхезия. Например, наливаме вода в чаша. Кохезията възниква, когато водните молекули се привличат взаимно, докато адхезията възниква, когато водните молекули и молекулите на стъклото се привличат взаимно.
Контактен ъгъл
Преди да изучим концепцията за капилярността, първо ще разберем как силата на адхезия и силата на кохезия влияят върху капилярността. Например, разглеждаме течността в чаша. Когато силата на кохезия на молекулата на течността е по-силна от силата на адхезия (силата на дърпане между молекулата на течността и молекулата на стъклото), повърхността на течността ще образува извивка нагоре. Пример за този случай е, когато водата е в чаша. Обикновено се казва, че водата напоява повърхността на стъклото. Обратно, ако силата на адхезия е по-силна, тогава повърхността на течността ще се извие надолу. Например, когато живакът е в чаша.
Ъгълът, образуван от кривата, се нарича ъгъл на контакт. Когато силата на кохезия на флуида е по-висока от силата на адхезия, създаденият ъгъл на контакт обикновено е по-малък от 90.o (фигура а). Обратно, ако силата на адхезия е по-висока от силата на кохезия на флуида, създаденият ъгъл на контакт е по-голям от 90o (фигура б). Силите на адхезия и кохезионните сили са теоретично трудни за изчисляване, но ъглите на контакт могат да бъдат измерени. Какво общо има това с капилярността?
Концепция за капилярност
Ако силата на сцепление на флуида е по-голяма от силата на адхезия, повърхността на течността ще се извие нагоре. Когато вкараме тънка тръба (тръба, чийто диаметър е по-малък от този на контейнера), течността в контейнера се издига през тръбната колона. Това е така, защото силата на общото повърхностно напрежение по стената на тръбата действа нагоре. Максималната височина, която течността може да достигне, е когато силата на повърхностното напрежение е равна на теглото на течността в тръбата. Така че течността може да се издигне само до височина, където силата на повърхностното напрежение е уравновесена с теглото на течността в тръбата.
Обратно, ако силата на адхезия е по-голяма от силата на кохезия на флуида, повърхността на течността ще се извие надолу. Когато вкараме тънка тръба или тръба (тръба с по-малък диаметър от контейнера), тя ще образува долна част на течността (вижте картинката по-долу).
Този ефект е известен като капилярност, а тънката тръбичка се нарича капилярна тръбичка. Имайте предвид, че най-малките ни кръвоносни съдове могат да се нарекат и капилярни тръбички, защото кръвообращението в малките кръвоносни съдове също се осъществява поради ефектите на капилярността. По подобен начин се наблюдава явлението на издигащо се топене на восък или керосин през оста. Освен това се смята, че капилярността играе съществена роля в преминаването на вода и хранителни вещества от корените към листата през ксилемните съдове. Ако няма капилярност, почвената повърхност ще изсъхне веднага след дъжд. Друг важен ефект на капилярността е задържането на вода в празнините между почвените частици.
Уравнение на капилярността
Как можем да определим височината на водата, издигаща се през капилярната тръба? Течността се издига в капилярната тръба, която има радиус r до височина h. Силата, действаща за задържане на течността на височина h, е компонентът на силата на повърхностното напрежение във вертикална посока: F cos θ.
Горната част на капилярната тръба е отворена, така че върху повърхността на течността има атмосферно налягане. Дължината на допирната повърхност между течността и тръбата е 2πr (обиколка). Следователно, големината на силата на повърхностно напрежение на вертикалните компоненти, които работят по контактната повърхност, е:
F = Сила на повърхностно напрежение, γ = Повърхностно напрежение, r = радиус на капилярната тръбичка, θ = Ъгъл на контакт
Ако извитата нагоре повърхност се пренебрегне, обемът на течността в тръбата е:
Обем на флуида = площта на тръбата x-височина на течността
V = A h
V = (πr² ) h
Ако вертикалният компонент на силата на повърхностното напрежение е уравновесен с теглото на течния стълб в капилярната тръба, тогава течността не може да се издигне отново. С други думи, течността ще достигне максималната си височина, ако вертикалният компонент на силата на повърхностното напрежение е уравновесен с теглото на течността, до h. Вертикалният компонент на силата на повърхностното напрежение е:
F = γ²πrcosθ
Докато теглото на течността в капилярната тръба е:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ(πr²h ) g
Когато течността достигне максималната си височина (h), вертикалният компонент на силата на повърхностното напрежение трябва да е равен на теглото на течността в капилярната тръба. Математически, записано:
Това е уравнението, което търсим. Ако искате да определите височината на течния стълб, моля, помислете за използването на това уравнение.
