Kapillaarsus

Ühtekuuluvuse ja adhesiooni jõud

Koheesiojõud on sarnase aine molekulide vaheline tõmbejõud, samas kui ebavõrdse aine molekulide vahelist tõmbejõudu nimetatakse adhesioonijõuks. Näiteks valame vett klaasi. Koheesio tekib siis, kui veemolekulid üksteist tõmbuvad, samas kui adhesioon tekib siis, kui veemolekulid ja klaasimolekulid üksteist tõmbuvad.

Kontaktnurk

Enne kapillaarsuse mõiste õppimist mõistame kõigepealt, kuidas adhesioonijõud ja kohesioonijõud mõjutavad kapillaarsust. Näiteks vaatleme klaasis olevat vedelikku. Kui vedeliku molekuli kohesioonijõud on tugevam kui adhesioonijõud (vedeliku molekuli ja klaasi molekuli vaheline tõmbejõud), moodustab vedeliku pind ülespoole suunatud kõveruse. Näiteks on see klaasis olev vesi. Tavaliselt öeldakse, et vesi imab klaasi pinda. Vastupidi, kui adhesioonijõud on tugevam, siis kõverdub vedeliku pind allapoole. Näiteks kui klaasis on elavhõbe.

Kõvera moodustatud nurka nimetatakse kontaktnurgaks. Kui vedeliku kohesioonijõud on suurem kui adhesioonijõud, on tekkiv kontaktnurk üldiselt väiksem kui 90 kraadi.^o (joonis a). Vastupidi, kui adhesioonijõud on suurem kui vedeliku kohesioonijõud, on tekkiv kontaktnurk suurem kui 90^o (joonis b). Adhesioonijõude ja kohesioonijõude on teoreetiliselt raske arvutada, kuid kontaktnurki saab mõõta. Mis pistmist sellel on kapillaarsusega?

Kapillaarsuse kontseptsioon

Kui vedeliku kohesioonijõud on suurem kui adhesioonijõud, siis vedeliku pind kõverdub ülespoole. Kui sisestame õhukese toru (toru, mille läbimõõt on väiksem kui anuma läbimõõt), tõuseb anumas olev vedelik läbi torusamba. See on tingitud asjaolust, et toru seina pindpinevusjõud toimib ülespoole. Vedelik saab saavutada maksimaalse kõrguse, kui pindpinevusjõud on võrdne torus oleva vedeliku kaaluga. Seega saab vedelik tõusta ainult kõrgusele, kus pindpinevusjõud on tasakaalus torus oleva vedeliku kaaluga.

Vastupidi, kui adhesioonijõud on suurem kui vedeliku kohesioonijõud, siis vedeliku pind kõverdub allapoole. Kui sisestame õhukese toru või toru (toru, mille läbimõõt on väiksem kui anuma läbimõõt), moodustab see vedeliku alumise osa (vt allolevat pilti).

Seda efekti nimetatakse kapillaariks ja peenikest toru nimetatakse kapillaartoruks. Pidage meeles, et meie väikseimaid veresooni võib nimetada ka kapillaartorudeks, sest vereringe väikestes veresoontes toimub samuti kapillaaride mõjul. Samamoodi toimub vaha või petrooleumi tõusev sulamine läbi telje. Lisaks arvatakse, et kapillaarsusel on oluline roll vee ja toitainete liikumisel juurtest lehtedeni läbi ksüleemi veresoonte. Kui kapillaarsust ei ole, kuivab mullapind kohe pärast vihma. Kapillaarsuse teine ​​​​oluline mõju on vee peetumine mullaosakeste vahelistes tühimikes.

Kapillaarsuse võrrand

Kuidas saame määrata kapillaartoru sambast läbi tõusva vee kõrgust? Vedeliku kõrgus kapillaartoru sambas, mille raadius on r kuni kõrguseni h, tõuseb. Vedeliku kõrgusel h hoidmiseks mõjuv jõud on pindpinevuse vertikaalsuunaline komponent: F cos θ.

Kapillaartoru ülaosa on avatud, nii et vedeliku pinnal on atmosfäärirõhk. Vedeliku ja toru vahelise puutepinna pikkus on 2πr (ümbermõõt). Seega on kokkupuutepinnal toimivate vertikaalsete komponentide pindpinevusjõu suurus:

F = pindpinevusjõud, γ = pindpinevus, r = kapillaartoru raadius, θ = Kontaktnurk

Kui ülespoole kumerat pinda eirata, on torus oleva vedeliku maht:

Vedeliku maht = toru pindala x - vedeliku kõrgus

V = A h

V = (πr²) h

Kui pindpinevusjõu vertikaalne komponent on tasakaalus kapillaartorus oleva vedelikusamba kaaluga, siis vedelik ei saa uuesti tõusta. Teisisõnu, vedelik saavutab oma maksimaalse kõrguse, kui pindpinevusjõu vertikaalne komponent on tasakaalus vedeliku kaaluga, kuni kõrguseni h. Pindpinevusjõu vertikaalne komponent on:

F = γ²πrcosθ

Samal ajal kui kapillaartorus oleva vedeliku kaal on:

w = mg

w = ρVg

w = ρ (πr² h) g

Kui vedelik saavutab oma maksimaalse kõrguse (h), siis pindpinevusjõu vertikaalne komponent mpeab võrduma kapillaartorus oleva vedeliku kaaluga. Matemaatiliselt kirjutatuna:

See on võrrand, mida me otsime. Kui soovite määrata vedelikusamba kõrgust, kaaluge selle võrrandi kasutamist.