Sila kohezije i adhezije
Kohezijska sila je sila privlačenja između molekula u sličnoj tvari, dok se privlačna sila između molekula nejednake tvari naziva adhezijska sila. Na primjer, ulijemo vodu u čašu. Kohezija nastaje kada se molekule vode privlače, dok adhezija nastaje kada se molekule vode i molekule stakla privlače.
Kontaktni kut
Prije nego što naučimo koncept kapilarnosti, prvo ćemo razumjeti kako sile adhezije i kohezijske sile utječu na kapilarnost. Na primjer, razmotrit ćemo tekućinu u čaši. Kada je kohezijska sila molekule tekućine jača od sile adhezije (sile povlačenja između molekule tekućine i molekule stakla), površina tekućine će formirati krivulju prema gore. Primjer ovog slučaja je kada je voda u čaši. Obično se kaže da voda natapa površinu stakla. Suprotno tome, ako je sila adhezije jača, tada će se površina tekućine zakriviti prema dolje. Na primjer, kada je živa u čaši.
Kut koji tvori krivulja naziva se kontaktni kut. Kada je sila kohezije fluida veća od sile adhezije, stvoreni kontaktni kut je općenito manji od 90o (slika a). Obrnuto, ako je sila adhezije veća od sile kohezije fluida, stvoreni kontaktni kut je veći od 90o (slika b). Adhezijske i kohezijske sile teoretski je teško izračunati, ali kontaktni kutovi se mogu izmjeriti. Kakve to ima veze s kapilarnošću?
Koncept kapilarnosti
Ako je sila kohezije fluida veća od sile adhezije, površina tekućine će se uvijati prema gore. Kada umetnemo tanku cijev ili cijev (cijev čiji je promjer manji od spremnika), tekućina u spremniku se diže kroz stupac cijevi. To je zato što sila ukupne površinske napetosti duž stijenke cijevi djeluje prema gore. Maksimalna visina koju tekućina može postići je kada je sila površinske napetosti jednaka težini tekućine u cijevi. Dakle, tekućina se može podići samo do visine gdje je sila površinske napetosti uravnotežena s težinom tekućine u cijevi.
Suprotno tome, ako je sila adhezije veća od sile kohezije fluida, površina tekućine će se zakriviti prema dolje. Kada umetnemo tanku cijev ili cijev (cijev manjeg promjera od spremnika), ona će formirati donji dio tekućine (vidi sliku ispod).
Taj je učinak poznat kao kapilara, a tanka cijev se naziva kapilarna cijev. Imajte na umu da se i naše najmanje krvne žile mogu nazvati kapilarnim cijevima jer se cirkulacija krvi u malim krvnim žilama također događa zbog učinaka kapilare. Slično tome, fenomen rastućeg taljenja voska ili kerozina kroz os. Nadalje, vjeruje se da kapilarnost igra bitnu ulogu u prolasku vode i hranjivih tvari od korijena do lišća kroz ksilemske žile. Ako nema kapilarnosti, površina tla će se odmah osušiti nakon kiše. Drugi značajan učinak kapilarnosti je zadržavanje vode u prazninama između čestica tla.
Jednadžba kapilarnosti
Kako možemo odrediti visinu vode koja se diže kroz kapilarnu cijev? Tekućina se diže u kapilarnoj cijevi, koja ima polumjer r do visine h. Sila koja djeluje držeći tekućinu 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 tlak. Duljina dodirne površine između tekućine i cijevi je 2πr (opseg). Dakle, veličina sile površinske napetosti vertikalnih komponenti koje djeluju duž dodirne površine je:
F = sila površinske napetosti, γ = površinska napetost, r = polumjer kapilarne cijevi, θ = kontaktni kut
Ako se zanemari zakrivljena površina prema gore, volumen tekućine u cijevi je:
Volumen fluida = površina cijevi x-visina fluida
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 ponovno podići. Drugim riječima, tekućina će dosegnuti 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 tekućine u kapilarnoj cijevi:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ(πr²h ) g
Kada tekućina dosegne svoju maksimalnu visinu (h), vertikalna komponenta sile površinske napetosti mora biti jednaka težini tekućine u kapilarnoj cijevi. Matematički se to piše:
Ovo je jednadžba koju tražimo. Ako želite odrediti visinu stupca tekućine, razmislite o korištenju ove jednadžbe.
