კაპილარობა

აკომოდაციისა და ადჰეზიის ძალა

შეერთების ძალა არის მიზიდულობის ძალა მსგავს ნივთიერებაში მოლეკულებს შორის, ხოლო არათანაბარი ნივთიერების მოლეკულებს შორის მიზიდულობის ძალას ადჰეზიის ძალა ეწოდება. მაგალითად, ჩვენ წყალს ჭიქაში ვასხამთ. შეერთება ხდება მაშინ, როდესაც წყლის მოლეკულები ერთმანეთს იზიდავენ, ხოლო ადჰეზია ხდება მაშინ, როდესაც წყლის მოლეკულები და მინის მოლეკულები ერთმანეთს იზიდავენ.

საკონტაქტო კუთხე

კაპილარობის კონცეფციის შესწავლამდე, ჯერ უნდა გავიგოთ, თუ როგორ მოქმედებს ადჰეზიის ძალა და შეკავშირების ძალა კაპილარობაზე. მაგალითად, განვიხილავთ სითხეს ჭიქაში. როდესაც სითხის მოლეკულის შეკავშირების ძალა უფრო ძლიერია, ვიდრე ადჰეზიის ძალა (თხევადის მოლეკულასა და მინის მოლეკულას შორის მიზიდვის ძალა), სითხის ზედაპირი აღმავალი მრუდის ფორმას მიიღებს. ამ შემთხვევის მაგალითია, როდესაც წყალი ჭიქაშია. ჩვეულებრივ, ამბობენ, რომ წყალი შუშის ზედაპირს ასველებს. პირიქით, თუ ადჰეზიის ძალა უფრო ძლიერია, მაშინ სითხის ზედაპირი ქვევით მოიხრება. მაგალითად, როდესაც ვერცხლისწყალი ჭიქაშია.

მრუდის მიერ წარმოქმნილ კუთხეს შეხების კუთხე ეწოდება. როდესაც სითხის შეერთების ძალა ადჰეზიის ძალაზე მეტია, შექმნილი შეხების კუთხე, როგორც წესი, 90°-ზე ნაკლებია.^o (სურათი ა). პირიქით, თუ ადჰეზიის ძალა სითხის ადჰეზიის ძალაზე მეტია, შექმნილი კონტაქტის კუთხე 90-ზე მეტია.^o (სურათი b). ადჰეზიური და შეკავშირების ძალების გამოთვლა თეორიულად რთულია, მაგრამ შეხების კუთხეების გაზომვა შესაძლებელია. რა კავშირი აქვს მას კაპილარულობასთან?

კაპილარობის კონცეფცია

თუ სითხის შეერთების ძალა მეტია ადჰეზიის ძალაზე, სითხის ზედაპირი ზემოთ აიწევა. როდესაც ჩავდებთ თხელ მილს ან მილს (მილს, რომლის დიამეტრიც კონტეინერის დიამეტრზე ნაკლებია), კონტეინერში არსებული სითხე მილის სვეტის გავლით ამოდის. ეს იმიტომ ხდება, რომ მილის კედლის გასწვრივ მთლიანი ზედაპირული დაჭიმულობის ძალა ზემოთ მიმართულია. მაქსიმალური სიმაღლე, რომლის მიღწევაც სითხეს შეუძლია, არის მაშინ, როდესაც ზედაპირული დაჭიმულობის ძალა ტოლია მილში არსებული სითხის წონისა. ამგვარად, სითხეს მხოლოდ იმ სიმაღლემდე შეუძლია ასვლა, სადაც ზედაპირული დაჭიმულობის ძალა დაბალანსებულია მილში არსებული სითხის წონასთან.

პირიქით, თუ ადჰეზიის ძალა მეტია სითხის ადჰეზიის ძალაზე, სითხის ზედაპირი ქვემოთ მოიხრება. როდესაც თხელ მილს ან მილს ჩავდებთ (მილი, რომლის დიამეტრი კონტეინერზე პატარაა), ის სითხის ქვედა ნაწილს შექმნის (იხილეთ სურათი ქვემოთ).

ეს ეფექტი ცნობილია როგორც კაპილარული, ხოლო თხელ მილს - კაპილარული მილი. გაითვალისწინეთ, რომ ჩვენს ყველაზე პატარა სისხლძარღვებს ასევე შეიძლება ეწოდოს კაპილარული მილები, რადგან სისხლის მიმოქცევა პატარა სისხლძარღვებშიც ხდება კაპილარული მილების ეფექტის გამო. ანალოგიურად, ცვილის ან ნავთის ღერძის გასწვრივ დნობის ფენომენი. გარდა ამისა, ითვლება, რომ კაპილარობა მნიშვნელოვან როლს ასრულებს წყლისა და საკვები ნივთიერებების ფესვებიდან ფოთლებამდე ქსილემის სისხლძარღვების გავლით გადასვლაში. თუ კაპილარობა არ არის, ნიადაგის ზედაპირი წვიმის შემდეგ მაშინვე გაშრება. კაპილარობის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ეფექტია წყლის შეკავება ნიადაგის ნაწილაკებს შორის არსებულ ნაპრალებში.

კაპილარულობის განტოლება

როგორ შეგვიძლია განვსაზღვროთ კაპილარული მილის სვეტში ამომავალი წყლის სიმაღლე? სითხე ამოდის კაპილარული მილის სვეტში, რომლის რადიუსი r სიმაღლემდეა h. ძალა, რომელიც მოქმედებენ სითხის h სიმაღლეზე შეკავებაზე, არის ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის კომპონენტი ვერტიკალური მიმართულებით: Fcos θ.

კაპილარული მილის ზედა ნაწილი ღიაა ისე, რომ სითხის ზედაპირზე ატმოსფერული წნევაა. სითხესა და მილს შორის შეხების ზედაპირის სიგრძეა 2πr (წრეწირი). ამრიგად, შეხების ზედაპირზე მოქმედი ვერტიკალური კომპონენტების ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის სიდიდეა:

F = ზედაპირული დაჭიმულობის ძალა, γ = ზედაპირული დაჭიმულობა, r = კაპილარული მილის რადიუსი, θ = შეხების კუთხე

თუ ზემოთ მიმართული მოხრილი ზედაპირი იგნორირებულია, მილში სითხის მოცულობა იქნება:

სითხის მოცულობა = მილის ზედაპირის ფართობი x სითხის სიმაღლე

V = A h

V = (π r ² ) h

თუ ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტი დაბალანსებულია კაპილარულ მილში სითხის სვეტის წონასთან, მაშინ სითხე ვეღარ აიწევს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სითხე მიაღწევს მაქსიმალურ სიმაღლეს, თუ ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტი დაბალანსებულია სითხის წონასთან, მაქსიმუმ h-ით. ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტია:

F = γ 2 π r cos θ

კაპილარულ მილში სითხის წონაა:

w = მგ

w = ρ V g

w = ρ (π r ² h) g

როდესაც სითხე მაქსიმალურ სიმაღლეს (h) აღწევს, ზედაპირული დაჭიმულობის ძალის ვერტიკალური კომპონენტი კაპილარულ მილში არსებული სითხის წონის ტოლი უნდა იყოს. მათემატიკურად, ასე იწერება:

ეს არის განტოლება, რომელსაც ვეძებთ. თუ გსურთ სითხის სვეტის სიმაღლის განსაზღვრა, გთხოვთ, განიხილოთ ამ განტოლების გამოყენება.