Біріктіру және адгезия күші
Біріктіру күші – ұқсас заттағы молекулалар арасындағы тартылыс күші, ал тең емес заттың молекулалары арасындағы тартылыс күші адгезия күші деп аталады. Мысалы, біз стаканға су құйамыз. Біріктіру су молекулалары бір-бірін тартқан кезде пайда болады, ал адгезия су молекулалары мен шыны молекулалары бір-бірін тартқан кезде пайда болады.
Байланыс бұрышы
Капиллярлық ұғымын үйренбес бұрын, алдымен капиллярлыққа адгезия күшінің және когезия күшінің әсерін түсінеміз. Мысалы, біз стакандағы сұйықтықты қарастырамыз. Сұйық молекуланың когезия күші адгезия күшінен (сұйық молекуласы мен шыны молекуласы арасындағы тарту күші) күштірек болған кезде, сұйықтық беті жоғары қарай қисық түзеді. Бұл жағдайдың мысалы ретінде су стаканның ішінде болған кезде алуға болады. Әдетте, су стаканның бетін сіңіреді деп айтылады. Керісінше, егер адгезия күші күштірек болса, онда сұйықтықтың беті төмен қарай қисық болады. Мысалы, сынап стаканның ішінде болған кезде.
Қисық сызық түзген бұрыш жанасу бұрышы деп аталады. Сұйықтықтың когезия күші адгезия күшінен жоғары болған кезде, пайда болған жанасу бұрышы әдетте 90-тан кіші болады.o (а суреті). Керісінше, егер адгезия күші сұйықтықтың адгезия күшінен жоғары болса, жасалған жанасу бұрышы 90-тан үлкен болады.o (b суреті). Адгезия күштері мен когезия күштерін теориялық тұрғыдан есептеу қиын, бірақ жанасу бұрыштарын өлшеуге болады. Оның капиллярлыққа қандай қатысы бар?
Капиллярлық ұғымы
Егер сұйықтықтың ілінісу күші адгезия күшінен үлкен болса, сұйықтық беті жоғары қарай бүгіледі. Жұқа түтікті немесе құбырды (диаметрі контейнерден кіші құбырды) салған кезде, ыдыстағы сұйықтық құбыр бағанасы арқылы көтеріледі. Себебі түтік қабырғасы бойымен жалпы беттік керілу күші жоғары қарай жұмыс істейді. Сұйықтықтың қол жеткізе алатын максималды биіктігі - беттік керілу күші құбырдағы сұйықтықтың салмағына тең болған кезде. Демек, сұйықтық тек беттік керілу күші құбырдағы сұйықтықтың салмағымен теңестірілген биіктікке көтеріле алады.
Керісінше, егер адгезия күші сұйықтықтың адгезия күшінен үлкен болса, сұйықтықтың беті төмен қарай иіледі. Жұқа түтік немесе құбырды (диаметрі контейнерден кішірек құбыр) салған кезде, ол сұйықтықтың төменгі бөлігін құрайды (төмендегі суретті қараңыз).
Бұл әсер капиллярлық, ал жіңішке құбыр капиллярлық түтік деп аталады. Біздің ең кішкентай қан тамырларымызды капиллярлық түтіктер деп те атауға болатынын есте сақтаңыз, себебі ұсақ қан тамырларындағы қан айналымы капиллярлық әсерге байланысты да жүреді. Сол сияқты, балауыздың немесе керосиннің ось арқылы балқуының жоғарылауы құбылысы да байқалады. Сонымен қатар, капиллярлық су мен қоректік заттардың тамырдан жапырақтарға ксилема тамырлары арқылы өтуінде маңызды рөл атқарады деп есептеледі. Егер капиллярлық болмаса, топырақ беті жаңбырдан кейін бірден кебеді. Капиллярлықтың тағы бір маңызды әсері - топырақ бөлшектері арасындағы саңылауларда судың сақталуы.
Капиллярлық теңдеу
Капиллярлық құбыр бағанынан көтерілетін судың биіктігін қалай анықтауға болады? Капиллярлық құбыр бағанындағы сұйықтықтың көтерілуі, оның радиусы r, биіктігі h-ге дейін жетеді. Сұйықтықты h биіктікте ұстап тұруға әсер ететін күш тік бағыттағы беттік керілу күшінің құрамдас бөлігі болып табылады: F cos θ.
Капиллярлық түтіктің жоғарғы жағы ашық, сондықтан сұйықтық бетінде атмосфералық қысым болады. Сұйықтық пен құбыр арасындағы жанасу бетінің ұзындығы 2πr (шеңбер). Осылайша, жанасу беті бойымен жұмыс істейтін тік компоненттердің беттік керілу күшінің шамасы:
F = Беттік керілу күші, γ = Беттік керілу, r = капиллярлық түтіктің радиусы, θ = Жанасу бұрышы
Егер иілген жоғары қарай бағытталған бет ескерілмесе, құбырдағы сұйықтық көлемі:
Сұйықтық көлемі = құбырдың беткі ауданы x - сұйықтықтың биіктігі
V = A h
V = (π r 2 ) h
Егер беттік керілу күшінің тік компоненті капиллярлық түтіктегі сұйықтық бағанының салмағымен теңестірілсе, онда сұйықтық қайтадан көтеріле алмайды. Басқаша айтқанда, егер беттік керілу күшінің тік компоненті сұйықтықтың салмағымен h-қа теңестірілсе, сұйықтық өзінің максималды биіктігіне жетеді. Беттік керілу күшінің тік компоненті:
F = γ 2 π r cos θ
Капиллярлық құбырдағы сұйықтықтың салмағы:
w = мг
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 сағ) g
Сұйықтық ең жоғары биіктігіне (h) жеткенде, беттік керілу күшінің тік компоненті капиллярлық түтіктегі сұйықтықтың салмағына тең болуы керек. Математикалық түрде былай жазылған:
Біз іздеп отырған теңдеу осы. Егер сіз сұйық бағанның биіктігін анықтағыңыз келсе, осы теңдеуді қолдануды қарастырыңыз.
