Cohesie- en adhesiekracht
Cohesiekracht is een aantrekkingskracht tussen moleculen van een gelijksoortige stof, terwijl een aantrekkingskracht tussen moleculen van een ongelijksoortige stof adhesiekracht wordt genoemd. Neem bijvoorbeeld het schenken van water in een glas. Cohesie treedt op wanneer watermoleculen elkaar aantrekken, terwijl adhesie optreedt wanneer watermoleculen en glasmoleculen elkaar aantrekken.
Contact hoek
Voordat we het concept van capillaire werking leren kennen, moeten we eerst begrijpen welke invloed adhesiekracht en cohesiekracht hebben op capillaire werking. Laten we bijvoorbeeld eens kijken naar een vloeistof in een glas. Wanneer de cohesiekracht van de vloeistofmoleculen sterker is dan de adhesiekracht (de aantrekkingskracht tussen de vloeistofmoleculen en de glasmoleculen), zal het vloeistofoppervlak een opwaartse kromming vertonen. Een voorbeeld hiervan is water in een glas. Meestal wordt gezegd dat het water het oppervlak van het glas doordrenkt. Omgekeerd, als de adhesiekracht sterker is, zal het vloeistofoppervlak een neerwaartse kromming vertonen. Bijvoorbeeld wanneer kwik in een glas zit.
De hoek die door de kromming wordt gevormd, wordt de contacthoek genoemd. Wanneer de cohesiekracht van de vloeistof groter is dan de adhesiekracht, is de gevormde contacthoek over het algemeen kleiner dan 90 graden.o (figuur a). Omgekeerd geldt dat als de adhesiekracht groter is dan de cohesiekracht van de vloeistof, de gevormde contacthoek groter is dan 90°.o (figuur b). Adhesiekrachten en cohesiekrachten zijn theoretisch moeilijk te berekenen, maar contacthoeken kunnen wel worden gemeten. Wat heeft dat met capillaire werking te maken?
Capillariteitsconcept
Als de cohesiekracht van een vloeistof groter is dan de adhesiekracht, zal het vloeistofoppervlak omhoog krullen. Wanneer we een dunne buis of pijp (een pijp met een kleinere diameter dan de container) in de vloeistofkolom plaatsen, stijgt de vloeistof in de container omhoog. Dit komt doordat de totale oppervlaktespanning langs de buiswand naar boven werkt. De maximale hoogte die een vloeistof kan bereiken, is wanneer de oppervlaktespanning gelijk is aan het gewicht van de vloeistof in de pijp. De vloeistof kan dus slechts tot een hoogte stijgen waar de oppervlaktespanning in evenwicht is met het gewicht van de vloeistof in de pijp.
Omgekeerd, als de adhesiekracht groter is dan de cohesiekracht van de vloeistof, zal het vloeistofoppervlak naar beneden buigen. Wanneer we een dunne buis of pijp (een pijp met een kleinere diameter dan de container) inbrengen, zal deze een lager gedeelte van de vloeistof vormen (zie onderstaande afbeelding).
Dit effect staat bekend als capillaire werking, en de dunne buis wordt een capillair genoemd. Houd er rekening mee dat onze kleinste bloedvaten ook capillaire buizen genoemd kunnen worden, omdat de bloedcirculatie in kleine bloedvaten eveneens plaatsvindt dankzij capillaire werking. Hetzelfde geldt voor het verschijnsel van het smelten van was of kerosine langs de as. Bovendien speelt capillaire werking naar verluidt een essentiële rol bij het transport van water en voedingsstoffen van de wortels naar de bladeren via de xyleemvaten. Zonder capillaire werking zou het bodemoppervlak direct na een regenbui uitdrogen. Een ander belangrijk effect van capillaire werking is het vasthouden van water in de ruimtes tussen de bodemdeeltjes.
Capillaire vergelijking
Hoe kunnen we de hoogte bepalen van het water dat door de capillaire buis stijgt? De vloeistof stijgt in de capillaire buis, die een straal r heeft, tot een hoogte h. De kracht die de vloeistof op hoogte h houdt, is de component van de oppervlaktespanning in verticale richting: F cos θ.
De bovenkant van de capillaire buis is open, waardoor er atmosferische druk op het vloeistofoppervlak staat. De lengte van het contactoppervlak tussen de vloeistof en de buis is 2πr (omtrek). De grootte van de oppervlaktespanningskracht, uitgedrukt in verticale componenten die langs het contactoppervlak werken, is dus:
F = Oppervlaktespanningskracht, γ = Oppervlaktespanning, r = straal van de capillaire buis, θ = Contacthoek
Als het naar boven gebogen oppervlak wordt genegeerd, is het volume vloeistof in de pijp:
Vloeistofvolume = oppervlakte van de pijp x hoogte van de vloeistof
V = A h
V = (π r2) H
Als de verticale component van de oppervlaktespanningskracht in evenwicht is met het gewicht van de vloeistofkolom in de capillaire buis, kan de vloeistof niet verder stijgen. Met andere woorden, de vloeistof bereikt zijn maximale hoogte als de verticale component van de oppervlaktespanningskracht in evenwicht is met het gewicht van de vloeistof, namelijk hoogte h. De verticale component van de oppervlaktespanningskracht is:
F = γ 2 π r cos θ
Het gewicht van de vloeistof in de capillaire buis is:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r2 h) g
Wanneer de vloeistof zijn maximale hoogte (h) bereikt, is de verticale component van de oppervlaktespanningskracht mHet gewicht moet gelijk zijn aan het gewicht van de vloeistof in de capillaire buis. Mathematisch geschreven:
Dit is de vergelijking die we zoeken. Als u de hoogte van de vloeistofkolom wilt bepalen, kunt u deze vergelijking gebruiken.
