Δύναμη Συνοχής και Πρόσφυσης
Η δύναμη συνοχής είναι μια δύναμη έλξης μεταξύ μορίων σε μια παρόμοια ουσία, ενώ μια δύναμη έλξης μεταξύ μορίων μιας άνισης ουσίας ονομάζεται Δύναμη Προσκόλλησης. Για παράδειγμα, ρίχνουμε νερό σε ένα ποτήρι. Η συνοχή συμβαίνει όταν τα μόρια του νερού έλκονται μεταξύ τους, ενώ η προσκόλληση συμβαίνει όταν τα μόρια του νερού και τα μόρια του γυαλιού έλκονται μεταξύ τους.
Γωνία επαφής
Πριν μάθουμε την έννοια της τριχοειδούς φύσης, κατανοούμε πρώτα την επίδραση της δύναμης πρόσφυσης και της δύναμης συνοχής στην τριχοειδή φύση. Για παράδειγμα, εξετάζουμε το υγρό σε ένα ποτήρι. Όταν η δύναμη συνοχής του μορίου του υγρού είναι ισχυρότερη από τη δύναμη πρόσφυσης (τη δύναμη έλξης μεταξύ του μορίου του υγρού και του μορίου του γυαλιού), η επιφάνεια του υγρού θα σχηματίσει μια ανοδική καμπύλη. Ένα παράδειγμα αυτής της περίπτωσης είναι όταν το νερό βρίσκεται σε ένα ποτήρι. Συνήθως, λέγεται ότι το νερό διαποτίζει την επιφάνεια του γυαλιού. Αντίθετα, εάν η δύναμη πρόσφυσης είναι ισχυρότερη, τότε η επιφάνεια του υγρού θα καμπυλωθεί προς τα κάτω. Για παράδειγμα, όταν ο υδράργυρος βρίσκεται σε ένα ποτήρι.
Η γωνία που σχηματίζεται από την καμπύλη ονομάζεται γωνία επαφής. Όταν η δύναμη συνοχής του ρευστού είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη πρόσφυσης, η γωνία επαφής που δημιουργείται είναι γενικά μικρότερη από 90°.o (σχήμα α). Αντίθετα, εάν η δύναμη πρόσφυσης είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη συνοχής του ρευστού, η γωνία επαφής που δημιουργείται είναι μεγαλύτερη από 90°o (σχήμα β). Οι δυνάμεις πρόσφυσης και οι δυνάμεις συνοχής είναι θεωρητικά δύσκολο να υπολογιστούν, αλλά οι γωνίες επαφής μπορούν να μετρηθούν. Τι σχέση έχει με την τριχοειδή ιδιότητα;
Έννοια τριχοειδούς
Εάν η δύναμη συνοχής του ρευστού είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη πρόσφυσης, η επιφάνεια του υγρού θα κυρτωθεί προς τα πάνω. Όταν εισάγουμε έναν λεπτό σωλήνα ή σωλήνα (έναν σωλήνα του οποίου η διάμετρος είναι μικρότερη από το δοχείο), το υγρό στο δοχείο ανεβαίνει μέσω της στήλης του σωλήνα. Αυτό συμβαίνει επειδή η δύναμη της συνολικής επιφανειακής τάσης κατά μήκος του τοιχώματος του σωλήνα λειτουργεί προς τα πάνω. Το μέγιστο ύψος που μπορεί να επιτύχει ένα υγρό είναι όταν η δύναμη επιφανειακής τάσης είναι ίση με το βάρος του υγρού στον σωλήνα. Έτσι, το υγρό μπορεί να ανέβει μόνο σε ένα ύψος όπου η δύναμη επιφανειακής τάσης εξισορροπείται με το βάρος του υγρού στον σωλήνα.
Αντίθετα, εάν η δύναμη πρόσφυσης είναι μεγαλύτερη από τη δύναμη συνοχής του ρευστού, η επιφάνεια του υγρού θα καμπυλωθεί προς τα κάτω. Όταν εισάγουμε έναν λεπτό σωλήνα ή αγωγό (έναν σωλήνα με μικρότερη διάμετρο από το δοχείο), αυτός θα σχηματίσει ένα κάτω μέρος του υγρού (βλ. εικόνα παρακάτω).
Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως τριχοειδές, και ο λεπτός σωλήνας ονομάζεται τριχοειδής σωλήνας. Λάβετε υπόψη ότι τα μικρότερα αιμοφόρα αγγεία μας μπορούν επίσης να ονομαστούν τριχοειδής σωλήνας επειδή η κυκλοφορία του αίματος σε μικρά αιμοφόρα αγγεία συμβαίνει επίσης λόγω των επιδράσεων του τριχοειδούς. Ομοίως, το φαινόμενο της αυξανόμενης τήξης κεριού ή κηροζίνης μέσω του άξονα. Επιπλέον, πιστεύεται επίσης ότι η τριχοειδής ικανότητα παίζει ουσιαστικό ρόλο στη διέλευση του νερού και των θρεπτικών ουσιών από τις ρίζες στα φύλλα μέσω των αγγείων του ξύλου. Εάν δεν υπάρχει τριχοειδής ικανότητα, η επιφάνεια του εδάφους θα στεγνώσει αμέσως μετά τη βροχή. Μια άλλη σημαντική επίδραση της τριχοειδούς ικανότητας είναι η συγκράτηση νερού στα κενά μεταξύ των σωματιδίων του εδάφους.
Εξίσωση τριχοειδούς
Πώς μπορούμε να προσδιορίσουμε το ύψος του νερού που ανεβαίνει μέσω της τριχοειδούς στήλης; Το υγρό ανεβαίνει στη τριχοειδή στήλη, η οποία έχει ακτίνα r έως το ύψος h. Η δύναμη που ασκείται στη συγκράτηση του υγρού στο ύψος h είναι η συνιστώσα της δύναμης επιφανειακής τάσης στην κατακόρυφη κατεύθυνση: Fcos θ.
Το πάνω μέρος του τριχοειδούς σωλήνα είναι ανοιχτό έτσι ώστε να υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια του υγρού. Το μήκος της επιφάνειας επαφής μεταξύ του υγρού και του σωλήνα είναι 2πr (περιφέρεια). Έτσι, το μέγεθος της δύναμης επιφανειακής τάσης των κατακόρυφων συνιστωσών που ασκούνται κατά μήκος της επιφάνειας επαφής είναι:
F = Δύναμη επιφανειακής τάσης, γ = Επιφανειακή τάση, r = ακτίνα του τριχοειδούς σωλήνα, θ = Γωνία επαφής
Αν αγνοηθεί η καμπύλη προς τα πάνω επιφάνεια, ο όγκος του υγρού στον σωλήνα είναι:
Όγκος υγρού = η επιφάνεια του σωλήνα x-ύψος του υγρού
V = A h
V = (π r2 ) h
Εάν η κατακόρυφη συνιστώσα της δύναμης επιφανειακής τάσης εξισορροπηθεί με το βάρος της υγρής στήλης στον τριχοειδή σωλήνα, τότε το υγρό δεν μπορεί να ανέβει ξανά. Με άλλα λόγια, το υγρό θα φτάσει στο μέγιστο ύψος του, εάν η κατακόρυφη συνιστώσα της δύναμης επιφανειακής τάσης εξισορροπηθεί με το βάρος του υγρού, έως και h. Η κατακόρυφη συνιστώσα της δύναμης επιφανειακής τάσης είναι:
F = γ 2 π r cos θ
Ενώ το βάρος του υγρού στον τριχοειδή σωλήνα είναι:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 h) g
Όταν το υγρό φτάσει στο μέγιστο ύψος του (h), η κατακόρυφη συνιστώσα της δύναμης επιφανειακής τάσης πρέπει να ισούται με το βάρος του υγρού στον τριχοειδή σωλήνα. Μαθηματικά, γράφεται:
Αυτή είναι η εξίσωση που αναζητούμε. Αν θέλετε να προσδιορίσετε το ύψος της υγρής στήλης, σκεφτείτε να χρησιμοποιήσετε αυτήν την εξίσωση.
