Láttál már gyertyát? Remélhetőleg használni fogod. Egy érdekes jelenség, amit égő gyertya esetén megfigyelhetünk. Az égő gyertya kanócának alja általában mindig nedves, olvadt viasszal (a kanócon). Az olvadt viasz jelenléte a kanócon azt jelenti, hogy a gyertya sokáig éghet. Mi okozza azt, hogy az olvadt viasz felfelé mozog az égő gyertya kanóc felé? Ugyanezt a jelenséget figyelhetjük meg fáklyákban is.
Életünkben sok érdekes dolog hasonlít a gyertyákban és olajlámpákban előforduló jelenségekhez. Mintha a folyadéknak lábai lennének, amelyek lehetővé teszik, hogy felfelé áramoljon. Meg tudod ezt magyarázni tudományosan? Az egyik fizikai fogalom, amely megmagyarázhatja a gyertyákban, olajlámpákban és sok más kapcsolódó jelenségben előforduló jelenségeket, a kapilláris víz.
Kohéziós és tapadási erők
A kohézió az azonos anyag molekulái közötti vonzóerő, míg a különböző anyagok molekulái közötti vonzóerőt adhéziónak nevezzük. Például, ha vizet öntünk egy pohárba, kohézió akkor jön létre, amikor a vízmolekulák vonzzák egymást, míg adhézió akkor, amikor a vízmolekulák és az üvegmolekulák vonzzák egymást.
Érintkezési szög
Mielőtt belemerülnénk a kapilláris képesség fogalmába, először meg kell értenünk, hogyan befolyásolják a tapadó és kohéziós erők a kapilláris képességet. Vegyünk például egy folyadékot egy üvegben. Amikor a folyadékmolekulák kohéziós erői erősebbek, mint a tapadó erők (a folyadékmolekulák és az üvegmolekulák közötti vonzó erők), a folyadék felülete felfelé görbül. Erre példa, amikor víz van egy üvegben. Általában azt mondják, hogy a víz nedvesíti az üveg felületét. Fordítva, ha a tapadó erők erősebbek, a folyadék felülete lefelé görbül. Például, amikor higany van egy üvegben.
A görbe által bezárt szöget érintkezési szögnek nevezzük. Amikor a folyadék kohéziós ereje nagyobb, mint a tapadási erő, a kialakított érintkezési szög általában kisebb, mint 90°.o (a. kép). Fordítva, ha az adhéziós erő nagyobb, mint a folyadék kohéziós ereje, akkor a kialakult érintkezési szög nagyobb, mint 90.o (b. ábra). Az adhéziós és kohéziós erőket elméletileg nehéz kiszámítani, de az érintkezési szög mérhető. Mi a kapcsolat a kapillaritással?
A kapillárisság fogalma
Ha egy folyadék kohéziós ereje nagyobb, mint a tapadási erő, a folyadék felülete felfelé görbül. Amikor egy vékony csövet vagy csöveket helyezünk a tartályba (egy olyan csövet, amelynek átmérője kisebb, mint a tartályé), akkor egy magasabb folyadékréteg alakul ki. Más szóval, a tartályban lévő folyadék a cső oszlopán keresztül emelkedik. Ez azért van, mert a cső fala mentén ható teljes felületi feszültségerő felfelé hat. A folyadék akkora magasságot érhet el, amikor a felületi feszültségerő egyenlő vagy egyenlő a csőben lévő folyadék súlyával. Ezért a folyadék csak olyan magasságig emelkedhet, ahol a felületi feszültségerőt kiegyenlíti a csőben lévő folyadék súlya.
Fordítva, ha a tapadóerő nagyobb, mint a folyadék kohéziós ereje, a folyadék felülete lefelé görbül. Amikor egy vékony csövet vagy csöveket helyezünk be (egy olyan csövet, amelynek átmérője kisebb, mint a tartályé), a folyadék alsó része alakul ki (lásd az alábbi képet).
Ez a hatás kapilláris mozgásnak, vagy kapillaritásnak nevezik, és ezeket a vékony csöveket kapilláris csöveknek nevezik. Érdemes megjegyezni, hogy a legkisebb ereinket is kapilláris csöveknek nevezhetjük, mivel a vérkeringés ezekben az apró erekben szintén a kapilláris hatásnak köszönhető. Hasonlóképpen, az olvadt viasz vagy kerozin kanócon keresztüli felemelkedésének jelensége is nyilvánvaló. Továbbá úgy vélik, hogy a kapillaritás létfontosságú szerepet játszik a víz és a tápanyagok mozgásában a gyökerektől a levelekig az apró xilém ereken keresztül. Kapillaritás nélkül a talajfelszín eső vagy öntözés után azonnal kiszáradna. A kapillaritás egy másik fontos hatása a víz visszatartása a talajrészecskék közötti résekben.
Kapillaritási egyenlet
Hogyan határozhatjuk meg a kapilláriscsőben lévő oszlopban felemelkedő víz magasságát? Úgy tűnik, hogy a folyadék emelkedik az oszlopban. 
Egy r sugarú kapilláriscső, amelynek magassága h. Az erő, amely szerepet játszik a folyadék h magasságban tartásában, a felületi feszültség erő függőleges irányú komponense: F cos théta.
A kapilláris cső teteje nyitott, így a folyadék felületére légköri nyomás hat. A folyadék és a cső közötti érintkezési felület hossza 2 phi r (a kör kerülete). Ezért a felületi feszültség erő függőleges komponensének nagysága az érintkezési felület mentén:
Ha a folyadékfelszín felfelé görbülő görbületét figyelmen kívül hagyjuk, akkor a csőben lévő folyadék térfogata:
Folyadék térfogata = Csőfelület x Folyadék magassága
V = A h
V = (πr2 ) h
Ha a felületi feszültség erő függőleges komponense kiegyenlítődik a kapilláriscsőben lévő folyadékoszlop súlyával, akkor a folyadék nem tud tovább emelkedni. Más szóval, a folyadék akkor éri el a maximális magasságát, amikor a felületi feszültség erő függőleges komponense kiegyenlítődik a h magasságban lévő folyadék súlyával. A felületi feszültség erő függőleges komponense:
F = γ²πr cos θ
Eközben a kapilláriscsőben lévő folyadék súlya:
w = mg
w = ρV g
w = ρ(πr²h ) g
Amikor a folyadék eléri a maximális magasságát (h), a felületi feszültség függőleges komponensének meg kell egyeznie a kapilláriscsőben lévő folyadék súlyával. Matematikailag ez így írható fel:
Ezt az egyenletet keressük. Ha meg szeretnéd határozni egy folyadékoszlop magasságát, kérlek, használd ezt az egyenletet.
