Sanglaudos ir sukibimo jėga
Sąsanglaudos jėga yra traukos jėga tarp panašios medžiagos molekulių, o traukos jėga tarp nelygios medžiagos molekulių vadinama adhezijos jėga. Pavyzdžiui, pilame vandenį į stiklinę. Sąanglauda atsiranda, kai vandens molekulės traukia viena kitą, o adhezija – kai vandens ir stiklo molekulės traukia viena kitą.
Kontaktinis kampas
Prieš pradėdami nagrinėti kapiliarumo sąvoką, pirmiausia suprantame, kaip sukibimo jėga ir sanglaudos jėga veikia kapiliarumą. Pavyzdžiui, nagrinėjame skystį stiklinėje. Kai skysčio molekulės sanglaudos jėga yra stipresnė už sukibimo jėgą (traukos jėgą tarp skysčio molekulės ir stiklo molekulės), skysčio paviršius išlinksta į viršų. Tokio atvejo pavyzdys yra vanduo stiklinėje. Paprastai sakoma, kad vanduo sugeria stiklo paviršių. Ir atvirkščiai, jei sukibimo jėga yra stipresnė, skysčio paviršius išlinksta žemyn. Pavyzdžiui, kai gyvsidabris yra stiklinėje.
Kreivės susidaręs kampas vadinamas sąlyčio kampu. Kai skysčio kohezijos jėga yra didesnė už sukibimo jėgą, susidaręs sąlyčio kampas paprastai yra mažesnis nei 90.o (a pav.). Ir atvirkščiai, jei sukibimo jėga yra didesnė už skysčio sanglaudos jėgą, sukurtas sąlyčio kampas yra didesnis nei 90.o (b pav.). Sukibimo ir kohezijos jėgas teoriškai sunku apskaičiuoti, tačiau sąlyčio kampus galima išmatuoti. Ką tai turi bendro su kapiliarumu?
Kapiliarumo koncepcija
Jei skysčio sanglaudos jėga yra didesnė už sukibimo jėgą, skysčio paviršius susisuks į viršų. Įkišus ploną vamzdelį (vamzdį, kurio skersmuo mažesnis už indą), skystis inde kyla per vamzdžio kolonėlę. Taip yra todėl, kad bendro paviršiaus įtempimo jėga išilgai vamzdžio sienelės veikia aukštyn. Didžiausias aukštis, kurį skystis gali pasiekti, yra tada, kai paviršiaus įtempimo jėga yra lygi skysčio vamzdyje svoriui. Taigi, skystis gali pakilti tik iki tokio aukščio, kuriame paviršiaus įtempimo jėga yra subalansuota su skysčio vamzdyje svoriu.
Ir atvirkščiai, jei sukibimo jėga yra didesnė už skysčio kohezijos jėgą, skysčio paviršius išlinks žemyn. Įkišus ploną vamzdelį ar vamzdelį (vamzdį, kurio skersmuo mažesnis nei indo), jis sudarys apatinę skysčio dalį (žr. paveikslėlį žemiau).
Šis efektas žinomas kaip kapiliaras, o plonas vamzdelis – kapiliariniu vamzdeliu. Turėkite omenyje, kad mažiausios mūsų kraujagyslės taip pat gali būti vadinamos kapiliariniais vamzdeliais, nes kraujotaka mažose kraujagyslėse taip pat vyksta dėl kapiliarų poveikio. Taip pat vyksta vaško ar žibalo kylančio tirpimo per ašį reiškinys. Be to, manoma, kad kapiliarumas atlieka esminį vaidmenį vandeniui ir maistinėms medžiagoms praeiti iš šaknų į lapus per ksilemo indus. Jei kapiliarumo nėra, dirvožemio paviršius iš karto po lietaus išdžius. Kitas svarbus kapiliarumo poveikis yra vandens sulaikymas tarpuose tarp dirvožemio dalelių.
Kapiliarumo lygtis
Kaip galime nustatyti kapiliariniu vamzdynu kylančio vandens aukštį? Skysčio lygis kapiliariniu vamzdynu kyla, o jo spindulys yra r iki aukščio h. Jėga, veikianti skystį aukštyje h, yra paviršiaus įtempimo jėgos dedamoji vertikalia kryptimi: F cos θ.
Kapiliarinio vamzdelio viršus yra atviras, todėl skysčio paviršiuje yra atmosferos slėgis. Skysčio ir vamzdžio lietimosi paviršiaus ilgis yra 2πr (apskritimas). Taigi, vertikalių dedamųjų, veikiančių išilgai lietimosi paviršiaus, paviršiaus įtempimo jėgos dydis yra:
F = paviršiaus įtempimo jėga, γ = paviršiaus įtempimas, r = kapiliarinio vamzdelio spindulys, θ = sąlyčio kampas
Jei ignoruojamas išlenktas į viršų paviršius, skysčio tūris vamzdyje yra:
Skysčio tūris = vamzdžio paviršiaus plotas x - skysčio aukštis
V = Ah
V = (πr² ) h
Jei vertikali paviršiaus įtempimo jėgos dedamoji yra subalansuota su skysčio stulpelio svoriu kapiliariniame vamzdelyje, skystis negali vėl pakilti. Kitaip tariant, skystis pasieks maksimalų aukštį, jei vertikali paviršiaus įtempimo jėgos dedamoji bus subalansuota su skysčio svoriu, kuris sieks h. Vertikali paviršiaus įtempimo jėgos dedamoji yra:
F = γ²πr/cosθ
Nors skysčio svoris kapiliariniame vamzdyje yra:
w = mg
w = ρV/g
w = ρ (π r² h ) g
Kai skystis pasiekia maksimalų aukštį (h), vertikali paviršiaus įtempimo jėgos dedamoji turi būti lygi skysčio svoriui kapiliariniame vamzdelyje. Matematiškai, užrašyta:
Štai lygtis, kurios ieškome. Jei norite nustatyti skysčio stulpelio aukštį, apsvarstykite galimybę naudoti šią lygtį.
