קַפִּילָרִיוּת

כוח הלכידות וההידבקות

כוח לכידות הוא כוח משיכה בין מולקולות בחומר דומה, בעוד שכוח משיכה בין מולקולות של חומר לא שווה נקרא כוח הידבקות. לדוגמה, אנו שופכים מים לכוס. לכידות מתרחשת כאשר מולקולות מים מושכות זו את זו, בעוד הידבקות מתרחשת כאשר מולקולות מים ומולקולות זכוכית מושכות זו את זו.

זווית מגע

לפני שנלמד את מושג הקפילריות, נבין תחילה כיצד משפיעים כוח ההידבקות וכוח הקוהיגיות על הקפילריות. לדוגמה, נסקור את הנוזל בכוס. כאשר כוח הקוהיגיות של מולקולת הנוזל חזק יותר מכוח ההידבקות (כוח המשיכה בין מולקולת הנוזל למולקולת הזכוכית), פני הנוזל ייצרו עקומה כלפי מעלה. דוגמה למקרה זה היא כאשר המים נמצאים בכוס. בדרך כלל אומרים שמים סופגים את פני הזכוכית. לעומת זאת, אם כוח ההידבקות חזק יותר, פני הנוזל יתעקמו כלפי מטה. לדוגמה, כאשר כספית נמצאת בכוס.

הזווית הנוצרת על ידי העקומה נקראת זווית המגע. כאשר כוח הלכידות של הנוזל גבוה מכוח ההידבקות, זווית המגע הנוצרת בדרך כלל קטנה מ-90 מעלות.^o (איור א'). לעומת זאת, אם כוח ההידבקות גבוה מכוח הלכידות של הנוזל, זווית המגע שנוצרת גדולה מ-90 מעלות.^o (איור ב'). כוחות הידבקות וכוחות קוהיביליות קשים תיאורטית לחישוב, אך ניתן למדוד זוויות מגע. מה הקשר בין זה לקפילריות?

מושג הקפילריות

אם כוח הלכידות של הנוזל גדול מכוח ההידבקות, פני הנוזל יתעקלו כלפי מעלה. כאשר אנו מכניסים צינור דק או צינור (צינור שקוטרו קטן יותר מהמיכל), הנוזל במיכל עולה דרך עמוד הצינור. הסיבה לכך היא שכוח מתח הפנים הכולל לאורך דופן הצינור פועל כלפי מעלה. הגובה המקסימלי שנוזל יכול להגיע אליו הוא כאשר כוח מתח הפנים שווה למשקל הנוזל בצינור. לכן, הנוזל יכול לעלות רק לגובה שבו כוח מתח הפנים מאוזן עם משקל הנוזל בצינור.

לעומת זאת, אם כוח ההידבקות גדול מכוח הלכידות של הנוזל, פני הנוזל יתעקמו כלפי מטה. כאשר נכניס צינור דק (צינור בקוטר קטן יותר מהמיכל), הוא ייצור חלק תחתון של הנוזל (ראה תמונה למטה).

אפקט זה ידוע כנימי, והצינור הדק נקרא צינור נימי. קחו בחשבון שגם כלי הדם הקטנים ביותר שלנו יכולים להיקרא צינורות נימיים מכיוון שזרימת הדם בכלי הדם הקטנים מתרחשת גם היא עקב השפעות הנימים. כמו כן, תופעת ההמסה העולה של שעווה או נפט דרך הציר. יתר על כן, נימיות נחשבת גם כבעלת תפקיד חיוני במעבר מים וחומרים מזינים מהשורשים לעלים דרך כלי העצה. אם אין נימיות, פני הקרקע יתייבשו מיד לאחר הגשם. השפעה משמעותית נוספת של נימיות היא אצירת מים ברווחים בין חלקיקי הקרקע.

משוואת הקפילריות

כיצד ניתן לקבוע את גובה המים העולים דרך עמודת צינור הקפילר? הנוזל עולה בעמודת צינור הקפילר, אשר רדיוסו r עד ​​לגובה h. הכוח הפועל להחזקת הנוזל בגובה h הוא רכיב כוח מתח הפנים בכיוון האנכי: F cos θ.

החלק העליון של צינור הקפילרי פתוח כך שיש לחץ אטמוספרי על פני הנוזל. אורך משטח המגע בין הנוזל לצינור הוא 2πr (היקף). לכן, גודל כוח מתח הפנים של הרכיבים האנכיים הפועלים לאורך משטח המגע הוא:

F = כוח מתח פנים, γ = מתח פנים, r = רדיוס צינור הקפילר, θ = זווית מגע

אם מתעלמים מהמשטח המעוקל כלפי מעלה, נפח הנוזל בצינור הוא:

נפח הנוזל = שטח הפנים של הצינור x גובה הנוזל

V = A h

V = (π r² ⁾ h

אם הרכיב האנכי של כוח מתח הפנים מאוזן עם משקל עמודת הנוזל בצינור הנימים, אז הנוזל לא יכול לעלות שוב. במילים אחרות, הנוזל יגיע לגובהו המקסימלי, אם הרכיב האנכי של כוח מתח הפנים מאוזן עם משקל הנוזל, עד כדי h. הרכיב האנכי של כוח מתח הפנים הוא:

F = γ²πr cos θ

בעוד שמשקל הנוזל בצינור הקפילרי הוא:

w = מ"ג

w = ρ V g

w = ρ (π r² ^h ) g

כאשר הנוזל מגיע לגובהו המרבי (h), הרכיב האנכי של כוח מתח הפנים חייב להיות שווה למשקל הנוזל בצינור הקפילרי. מבחינה מתמטית, נכתב כך:

זוהי המשוואה שאנו מחפשים. אם ברצונך לקבוע את גובה עמודת הנוזל, אנא שקול להשתמש במשוואה זו.