Kapilaritas

Daya Kohesi dan Lekatan

Daya kohesi ialah daya tarikan antara molekul dalam bahan yang serupa, manakala daya tarikan antara molekul bahan yang tidak sama dipanggil Daya Lekatan. Contohnya, kita menuangkan air ke dalam gelas. Kohesi berlaku apabila molekul air menarik antara satu sama lain, manakala lekatan berlaku apabila molekul air dan molekul kaca menarik antara satu sama lain.

Sudut kenalan

Sebelum mempelajari konsep Kapilari, kita fahami dahulu bagaimana pengaruh daya lekatan dan daya kohesi terhadap kapilari. Contohnya, kita ulas cecair dalam gelas. Apabila daya kohesi molekul cecair lebih kuat daripada daya lekatan (daya tarikan antara molekul cecair dan molekul kaca), permukaan cecair akan membentuk lengkungan ke atas. Satu contoh kes ini ialah apabila air berada di dalam gelas. Biasanya, dikatakan bahawa air merendam permukaan kaca. Sebaliknya, jika daya lekatan lebih kuat, maka permukaan cecair akan melengkung ke bawah. Contohnya, apabila merkuri berada di dalam gelas.

Sudut yang dibentuk oleh lengkung dipanggil sudut sentuhan. Apabila daya kohesi bendalir lebih tinggi daripada daya lekatan, sudut sentuhan yang terhasil secara amnya lebih kecil daripada 90^o (rajah a). Sebaliknya, jika daya lekatan lebih tinggi daripada daya kohesi bendalir, sudut sentuhan yang terhasil adalah lebih besar daripada 90^o (rajah b). Daya lekatan dan daya kohesi secara teorinya sukar untuk dikira, tetapi sudut sentuhan boleh diukur. Apakah kaitannya dengan kapilari?

Konsep kapilari

Jika daya kohesi bendalir lebih besar daripada daya lekatan, permukaan cecair akan melengkung ke atas. Apabila kita memasukkan tiub atau paip nipis (paip yang diameternya lebih kecil daripada bekas), cecair di dalam bekas akan naik melalui turus paip. Ini kerana daya tegangan permukaan jumlah di sepanjang dinding tiub berfungsi ke atas. Ketinggian maksimum yang boleh dicapai oleh cecair adalah apabila daya tegangan permukaan adalah sama dengan berat cecair di dalam paip. Jadi, cecair hanya boleh naik ke ketinggian di mana daya tegangan permukaan diseimbangkan dengan berat cecair di dalam paip.

Sebaliknya, jika daya lekatan lebih besar daripada daya kohesi bendalir, permukaan cecair akan melengkung ke bawah. Apabila kita memasukkan tiub atau paip nipis (paip dengan diameter yang lebih kecil daripada bekas), ia akan membentuk bahagian bawah cecair (lihat gambar di bawah).

Kesan ini dikenali sebagai kapilari, dan paip nipis dipanggil tiub kapilari. Perlu diingat bahawa saluran darah terkecil kita juga boleh dipanggil paip kapilari kerana peredaran darah dalam saluran darah kecil juga berlaku disebabkan oleh kesan kapilari. Begitu juga, fenomena peningkatan pencairan lilin atau minyak tanah melalui paksi. Tambahan pula, kapilari juga dipercayai memainkan peranan penting dalam laluan air dan bahan berkhasiat dari akar ke daun melalui saluran xilem. Jika tiada kapilari, permukaan tanah akan kering serta-merta selepas hujan. Satu lagi kesan ketara kapilari ialah pengekalan air dalam jurang antara zarah tanah.

Persamaan kapilari

Bagaimanakah kita boleh menentukan ketinggian air yang naik melalui turus paip kapilari? Kenaikan cecair dalam turus paip kapilari, yang mempunyai jejari r sehingga ketinggian h. Daya yang bertindak dalam menahan cecair pada ketinggian h ialah komponen daya tegangan permukaan dalam arah menegak: F cos θ.

Bahagian atas tiub kapilari terbuka supaya terdapat tekanan atmosfera pada permukaan cecair. Panjang permukaan sentuh antara cecair dan paip ialah 2πr (lilitan). Oleh itu, magnitud daya tegangan permukaan komponen menegak yang bekerja di sepanjang permukaan sentuh ialah:

F = Daya tegangan permukaan, γ = Tegangan permukaan, r = jejari tiub kapilari, θ = Sudut sentuh

Jika permukaan melengkung ke atas diabaikan, isipadu cecair dalam paip ialah:

Isipadu bendalir = luas permukaan paip x tinggi cecair

V = A h

V = (π r²) j

Jika komponen menegak Daya Tegangan Permukaan diseimbangkan dengan berat turus cecair dalam tiub kapilari, maka cecair tidak boleh naik semula. Dalam erti kata lain, cecair akan mencapai ketinggian maksimumnya, jika komponen menegak daya tegangan permukaan diseimbangkan dengan berat cecair, setinggi h. Komponen menegak daya tegangan permukaan ialah:

F = γ 2 π r cos θ

Manakala berat cecair dalam paip kapilari ialah:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ (π r² h) g

Apabila cecair mencapai ketinggian maksimumnya (h), komponen menegak daya tegangan permukaan msama dengan berat cecair dalam tiub kapilari. Secara matematik, ditulis:

Inilah persamaan yang kita cari. Jika anda ingin menentukan ketinggian turus cecair, sila pertimbangkan untuk menggunakan persamaan ini.