Kapillaarisuus

Koheesio- ja tartuntavoima

Koheesiovoima on samanlaisen aineen molekyylien välinen vetovoima, kun taas eriarvoisen aineen molekyylien välistä vetovoimaa kutsutaan adheesiovoimaksi. Esimerkiksi kaadamme vettä lasiin. Koheesio tapahtuu, kun vesimolekyylit vetävät toisiaan puoleensa, kun taas adheesio tapahtuu, kun vesimolekyylit ja lasimolekyylit vetävät toisiaan puoleensa.

Kosketuskulma

Ennen kuin opimme kapillaarisuuden käsitteen, ymmärrämme ensin, miten adheesiovoima ja koheesiovoima vaikuttavat kapillaarisuuteen. Tarkastellaan esimerkiksi nestettä lasissa. Kun nestemolekyylin koheesiovoima on voimakkaampi kuin adheesiovoima (nestemolekyylin ja lasimolekyylin välinen vetovoima), nesteen pinta muodostaa ylöspäin suuntautuvan kaarteen. Esimerkki tästä on vesi lasissa. Yleensä sanotaan, että vesi imee lasin pintaa. Käänteisesti, jos adheesiovoima on voimakkaampi, nesteen pinta kaartuu alaspäin. Esimerkiksi kun elohopea on lasissa.

Käyrän muodostamaa kulmaa kutsutaan kosketuskulmaksi. Kun nesteen koheesiovoima on suurempi kuin adheesiovoima, syntyvä kosketuskulma on yleensä pienempi kuin 90.^o (kuva a). Kääntäen, jos adheesiovoima on suurempi kuin nesteen koheesiovoima, syntyvä kosketuskulma on suurempi kuin 90^o (kuva b). Adheesiovoimia ja koheesiovoimia on teoreettisesti vaikea laskea, mutta kosketuskulmat voidaan mitata. Mitä tekemistä sillä on kapillaarisuuden kanssa?

Kapillaarisuuden käsite

Jos nesteen koheesiovoima on suurempi kuin adheesiovoima, nesteen pinta käpristyy ylöspäin. Kun työnnämme putkeen ohuen putken (putken, jonka halkaisija on pienempi kuin säiliön), säiliössä oleva neste nousee putkipilarin läpi. Tämä johtuu siitä, että putken seinämän suuntainen kokonaispintajännitysvoima vaikuttaa ylöspäin. Neste voi saavuttaa suurimman korkeuden, kun pintajännitysvoima on yhtä suuri kuin putkessa olevan nesteen paino. Neste voi siis nousta vain korkeuteen, jossa pintajännitysvoima on tasapainossa putkessa olevan nesteen painon kanssa.

Käänteisesti, jos adheesiovoima on suurempi kuin nesteen koheesiovoima, nesteen pinta kaartuu alaspäin. Kun työnnämme nesteen sisään ohuen putken tai putken (putken, jonka halkaisija on pienempi kuin säiliön), se muodostaa nesteen alaosan (katso alla oleva kuva).

Tätä ilmiötä kutsutaan kapillaariksi, ja ohutta putkea kutsutaan kapillaariputkeksi. Muista, että pienimpiä verisuoniamme voidaan myös kutsua kapillaariputkiksi, koska verenkierto pienissä verisuonissa tapahtuu myös kapillaarin vaikutuksesta. Samoin ilmiö, jossa vaha tai kerosiini sulaa nousevasti akselin läpi. Lisäksi kapillaarisuuden uskotaan olevan olennainen osa veden ja ravinteiden kulkua juurista lehtiin ksyleemin verisuonten kautta. Jos kapillaarisuutta ei ole, maan pinta kuivuu heti sateen jälkeen. Toinen merkittävä kapillaarisuuden vaikutus on veden pidättyminen maaperän hiukkasten välisiin rakoihin.

Kapillaarisuusyhtälö

Kuinka voimme määrittää kapillaariputkipatsaan läpi nousevan veden korkeuden? Nesteen nousu kapillaariputkipatsaassa, jonka säde on r, ulottuu korkeuteen h. Nesteen pitämiseen korkeudella h vaikuttava voima on pintajännitysvoiman pystysuuntainen komponentti: F cos θ.

Kapillaariputken yläosa on avoin, joten nesteen pinnalla on ilmakehän paine. Nesteen ja putken välisen kosketuspinnan pituus on 2πr (ympärysmitta). Näin ollen kosketuspintaa pitkin vaikuttavien pystysuorien komponenttien pintajännitysvoiman suuruus on:

F = pintajännitysvoima, γ = pintajännitys, r = kapillaariputken säde, θ = kosketuskulma

Jos ylöspäin kaarevaa pintaa ei oteta huomioon, putkessa olevan nesteen tilavuus on:

Nesteen tilavuus = putken pinta-ala x - nesteen korkeus

V = A h

V = (πr2 ⁾ h

Jos pintajännitysvoiman pystysuora komponentti on tasapainossa nestepatsaan painon kanssa kapillaariputkessa, neste ei voi nousta uudelleen. Toisin sanoen neste saavuttaa maksimikorkeutensa, jos pintajännitysvoiman pystysuora komponentti on tasapainossa nesteen painon kanssa, jopa korkeuteen h asti. Pintajännitysvoiman pystysuora komponentti on:

F = γ²πr cos θ

Vaikka kapillaariputkessa olevan nesteen paino on:

w = mg

w = ρV g

w = ρ(πr²h ⁾ g

Kun neste saavuttaa maksimikorkeutensa (h), pintajännitysvoiman pystysuuntaisen komponentin on oltava yhtä suuri kuin nesteen paino kapillaariputkessa. Matemaattisesti kirjoitettuna:

Tätä yhtälöä etsimme. Jos haluat määrittää nestepatsaan korkeuden, harkitse tämän yhtälön käyttöä.