Kapilarita

Síla soudržnosti a adheze

Kohezní síla je přitažlivá síla mezi molekulami v podobné látce, zatímco přitažlivá síla mezi molekulami nestejné látky se nazývá adhezní síla. Například nalijeme vodu do sklenice. Koheze nastává, když se molekuly vody vzájemně přitahují, zatímco adheze nastává, když se molekuly vody a molekuly skla vzájemně přitahují.

Kontaktní úhel

Než se naučíme koncept kapilarity, nejprve pochopíme, jaký vliv má adhezní a kohezní síla na kapilaritu. Například si probereme kapalinu ve sklenici. Když je kohezní síla molekuly kapaliny silnější než adhezní síla (tahová síla mezi molekulou kapaliny a molekulou skla), povrch kapaliny se zakřiví směrem nahoru. Příkladem tohoto případu je voda ve sklenici. Obvykle se říká, že voda nasákne povrch skla. Naopak, pokud je adhezní síla silnější, pak se povrch kapaliny zakřiví směrem dolů. Například když je ve sklenici rtuť.

Úhel, který křivka svírá, se nazývá kontaktní úhel. Pokud je kohezní síla tekutiny vyšší než adhezní síla, vytvořený kontaktní úhel je obecně menší než 90°.^o (obrázek a). Naopak, pokud je adhezní síla vyšší než kohezní síla tekutiny, je vytvořený kontaktní úhel větší než 90^o (obrázek b). Adhezní a kohezní síly je teoreticky obtížné vypočítat, ale kontaktní úhly lze měřit. Co to má společného s kapilaritou?

Koncept kapilarity

Pokud je kohezní síla kapaliny větší než adhezní síla, hladina kapaliny se zvlní směrem nahoru. Když vložíme tenkou trubici nebo potrubí (trubku, jejíž průměr je menší než průměr nádoby), kapalina v nádobě stoupá sloupcem trubky. Je to proto, že síla celkového povrchového napětí podél stěny trubky působí směrem nahoru. Maximální výšky, které může kapalina dosáhnout, je tehdy, když je síla povrchového napětí rovna hmotnosti kapaliny v trubce. Kapalina tedy může stoupat pouze do výšky, kde je síla povrchového napětí v rovnováze s hmotností kapaliny v trubce.

Naopak, pokud je adhezní síla větší než kohezní síla tekutiny, povrch kapaliny se zakřiví směrem dolů. Když vložíme tenkou trubici nebo potrubí (trubku s menším průměrem než nádoba), vytvoří spodní část kapaliny (viz obrázek níže).

Tento efekt je známý jako kapilára a tenká trubička se nazývá kapilární trubice. Mějte na paměti, že naše nejmenší cévy lze také nazvat kapilárními trubicemi, protože krevní oběh v malých cévách také probíhá v důsledku účinků kapiláry. Podobně je tomu i s jevem stoupajícího tání vosku nebo petroleje osou. Dále se předpokládá, že kapilarita hraje zásadní roli v průchodu vody a živin z kořenů do listů přes xylémové cévy. Pokud kapilarita neexistuje, povrch půdy po dešti ihned vyschne. Dalším významným účinkem kapiláry je zadržování vody v mezerách mezi půdními částicemi.

Rovnice kapilarity

Jak můžeme určit výšku stoupající vody kapilárou? Kapalina stoupá v kapilárním sloupci o poloměru r až do výšky h. Síla působící na kapalinu, která ji drží ve výšce h, je složkou síly povrchového napětí ve svislém směru: F cos θ.

Horní část kapilární trubice je otevřená, takže na povrch kapaliny působí atmosférický tlak. Délka dotykové plochy mezi kapalinou a trubicí je 2πr (obvod). Velikost síly povrchového napětí svislých složek, které působí podél kontaktní plochy, je tedy:

F = síla povrchového napětí, γ = povrchové napětí, r = poloměr kapilární trubice, θ = kontaktní úhel

Pokud se zanedbá zakřivená vzestupná plocha, objem kapaliny v potrubí je:

Objem kapaliny = plocha povrchu potrubí x-výška kapaliny

V = Ah

V = (πr² ⁾ h

Pokud je vertikální složka síly povrchového napětí v rovnováze s hmotností sloupce kapaliny v kapilární trubičce, pak kapalina nemůže znovu stoupat. Jinými slovy, kapalina dosáhne své maximální výšky, pokud je vertikální složka síly povrchového napětí v rovnováze s hmotností kapaliny, a to až do výšky h. Vertikální složka síly povrchového napětí je:

F = γ²πr cos θ

Zatímco hmotnost kapaliny v kapilární trubce je:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ(πr²h ⁾ g

Když kapalina dosáhne své maximální výšky (h), vertikální složka síly povrchového napětí se musí rovnat hmotnosti kapaliny v kapiláře. Matematicky se to zapíše jako:

Toto je rovnice, kterou hledáme. Pokud chcete určit výšku sloupce kapaliny, zvažte prosím použití této rovnice.