Sila kohezije i adhezije
Kohezijska sila je sila privlačenja između molekula u sličnoj supstanci, dok se sila privlačenja između molekula nejednake supstance naziva adhezijska sila. Na primjer, sipamo vodu u čašu. Kohezija nastaje kada se molekule vode privlače, dok adhezija nastaje kada se molekule vode i molekule stakla privlače.
Kontaktni ugao
Prije nego što naučimo koncept kapilarnosti, prvo ćemo razumjeti kako sila adhezije i kohezije utiču na kapilarnost. Na primjer, razmotrit ćemo tečnost u čaši. Kada je koheziona sila molekula tečnosti jača od sile adhezije (sile vuče između molekula tečnosti i molekula stakla), površina tečnosti će formirati krivulju prema gore. Primjer ovog slučaja je kada se voda nalazi u čaši. Obično se kaže da voda natapa površinu stakla. Suprotno tome, ako je sila adhezije jača, tada će se površina tečnosti zakriviti prema dolje. Na primjer, kada se živa nalazi u čaši.
Ugao koji formira krivulja naziva se kontaktni ugao. Kada je sila kohezije fluida veća od sile adhezije, stvoreni kontaktni ugao je uglavnom manji od 90.o (slika a). Obrnuto, ako je sila adhezije veća od sile kohezije fluida, stvoreni kontaktni ugao je veći od 90o (slika b). Adhezione i kohezione sile je teoretski teško izračunati, ali kontaktni uglovi se mogu izmjeriti. Kakve to veze ima sa kapilarnošću?
Koncept kapilarnosti
Ako je sila kohezije fluida veća od sile adhezije, površina tečnosti će se uvijati prema gore. Kada umetnemo tanku cijev ili cijev (cijev čiji je promjer manji od posude), tečnost u posudi se diže kroz stup cijevi. To je zato što sila ukupne površinske napetosti duž stijenke cijevi djeluje prema gore. Maksimalna visina koju tečnost može postići je kada je sila površinske napetosti jednaka težini tečnosti u cijevi. Dakle, tečnost se može podići samo do visine gdje je sila površinske napetosti uravnotežena s težinom tečnosti u cijevi.
Suprotno tome, ako je sila adhezije veća od sile kohezije fluida, površina tečnosti će se zakriviti prema dolje. Kada umetnemo tanku cijev ili cijev (cijev manjeg promjera od posude), ona će formirati donji dio tečnosti (vidi sliku ispod).
Ovaj efekat je poznat kao kapilara, a tanka cijev se naziva kapilarna cijev. Imajte na umu da se i naši najmanji krvni sudovi mogu nazvati kapilarnim cijevima jer cirkulacija krvi u malim krvnim sudovima također nastaje zbog efekata kapilare. Slično tome, fenomen rastućeg topljenja voska ili kerozina kroz osu. Nadalje, vjeruje se da kapilarnost igra bitnu ulogu u prolasku vode i hranjivih tvari od korijena do lišća kroz ksilemske sudove. Ako nema kapilarnosti, površina tla će se odmah osušiti nakon kiše. Još jedan značajan efekat kapilarnosti je zadržavanje vode u prazninama između čestica tla.
Jednačina kapilarnosti
Kako možemo odrediti visinu podizanja vode kroz kapilarnu cijev? Tečnost se diže u kapilarnoj cijevi, koja ima poluprečnik r do visine h. Sila koja djeluje držeći tečnost na visini h je komponenta sile površinske napetosti u vertikalnom smjeru: F cos θ.
Vrh kapilarne cijevi je otvoren tako da na površini tekućine djeluje atmosferski pritisak. Dužina dodirne površine između tekućine i cijevi je 2πr (obim). Dakle, veličina sile površinske napetosti vertikalnih komponenti koje djeluju duž kontaktne površine je:
F = Sila površinske napetosti, γ = Površinska napetost, r = poluprečnik kapilarne cijevi, θ = Kontaktni ugao
Ako se zanemari zakrivljena površina usmjerena prema gore, zapremina tečnosti u cijevi je:
Zapremina fluida = površina cijevi x-visina tečnosti
V = Ah
V = (πr² ) h
Ako je vertikalna komponenta sile površinske napetosti uravnotežena s težinom stupca tekućine u kapilarnoj cijevi, tada se tekućina ne može ponovo podići. Drugim riječima, tekućina će dostići svoju maksimalnu visinu ako je vertikalna komponenta sile površinske napetosti uravnotežena s težinom tekućine, čak do h. Vertikalna komponenta sile površinske napetosti je:
F = γ²πr cos θ
Dok je težina tečnosti u kapilarnoj cijevi:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ(πr²h ) g
Kada tečnost dostigne svoju maksimalnu visinu (h), vertikalna komponenta sile površinske napetosti mora biti jednaka težini tečnosti u kapilarnoj cijevi. Matematički, zapisano:
Ovo je jednačina koju tražimo. Ako želite odrediti visinu stuba tečnosti, razmislite o korištenju ove jednačine.
