Kapillaritet

Kohesjons- og adhesjonskraft

Kohesjonskraft er en tiltrekningskraft mellom molekyler i et lignende stoff, mens en tiltrekningskraft mellom molekyler i et ulikt stoff kalles adhesjonskraft. For eksempel heller vi vann i et glass. Kohesjon oppstår når vannmolekyler tiltrekker hverandre, mens adhesjon oppstår når vannmolekyler og glassmolekyler tiltrekker hverandre.

Kontaktvinkel

Før vi lærer konseptet kapillaritet, forstår vi først hvordan adhesjonskraft og kohesjonskraft påvirker kapillaritet. For eksempel ser vi på væsken i et glass. Når kohesjonskraften til væskemolekylet er sterkere enn adhesjonskraften (trekkkraften mellom væskemolekylet og glassmolekylet), vil væskeoverflaten danne en oppovergående kurve. Et eksempel på dette tilfellet er når det er vann i et glass. Vanligvis sies det at vann gjennomvåter overflaten av glasset. Omvendt, hvis adhesjonskraften er sterkere, vil væskeoverflaten krumme nedover. For eksempel når det er kvikksølv i et glass.

Vinkelen som dannes av kurven kalles kontaktvinkelen. Når væskekohesjonskraften er høyere enn adhesjonskraften, er den dannede kontaktvinkelen vanligvis mindre enn 90^o (figur a). Omvendt, hvis adhesjonskraften er høyere enn væskekohesjonskraften, er den oppbygde kontaktvinkelen større enn 90^o (figur b). Adhesjonskrefter og kohesjonskrefter er teoretisk vanskelige å beregne, men kontaktvinkler kan måles. Hva har det med kapillaritet å gjøre?

Kapillaritetskonsept

Hvis væskens kohesjonskraft er større enn adhesjonskraften, vil væskeoverflaten krølle seg oppover. Når vi setter inn et tynt rør eller rør (et rør med en diameter som er mindre enn beholderen), stiger væsken i beholderen gjennom rørsøylen. Dette er fordi kraften fra den totale overflatespenningen langs rørveggen virker oppover. Den maksimale høyden en væske kan oppnå er når overflatespenningskraften er lik vekten av væsken i røret. Så væsken kan bare stige til en høyde der overflatespenningskraften er balansert med vekten av væsken i røret.

Omvendt, hvis adhesjonskraften er større enn væskens kohesjonskraft, vil væskeoverflaten krumme nedover. Når vi setter inn et tynt rør eller rør (et rør med mindre diameter enn beholderen), vil det danne en nedre del av væsken (se bildet nedenfor).

Denne effekten er kjent som kapillær, og det tynne røret kalles kapillarrøret. Husk at våre minste blodårer også kan kalles kapillarrør fordi blodsirkulasjon i små blodårer også skjer på grunn av effektene av kapillær. Likeledes fenomenet med stigende smelting av voks eller parafin gjennom aksen. Videre antas kapillaritet også å spille en essensiell rolle i passasjen av vann og næringsstoffer fra røttene til bladene gjennom xylemerkene. Hvis det ikke er kapillaritet, vil jordoverflaten tørke ut umiddelbart etter regn. En annen betydelig effekt av kapillaritet er tilbakeholdelse av vann i mellomrommene mellom jordpartiklene.

Kapillaritetsligning

Hvordan kan vi bestemme høyden på vannet som stiger gjennom kapillarrørsøylen? Væsken stiger i kapillarrørsøylen, som har en radius r opp til høyden h. Kraften som virker for å holde væsken i høyden h er komponenten av overflatespenningskraften i vertikal retning: F cos θ.

Toppen av kapillarrøret er åpen slik at det er atmosfærisk trykk på væskeoverflaten. Lengden på berøringsflaten mellom væsken og røret er 2πr (omkrets). Dermed er størrelsen på overflatespenningskraften til de vertikale komponentene som virker langs kontaktflaten:

F = Overflatespenningskraft, γ = Overflatespenning, r = kapillarrørets radius, θ = Kontaktvinkel

Hvis den buede oppoverflaten ignoreres, er væskevolumet i røret:

Væskevolum = rørets overflateareal x væskens høyde

V = A h

V = (πr² ⁾ h

Hvis den vertikale komponenten av overflatespenningskraften er balansert med vekten av væskesøylen i kapillarrøret, kan ikke væsken stige igjen. Med andre ord, væsken vil nå sin maksimale høyde, hvis den vertikale komponenten av overflatespenningskraften er balansert med vekten av væsken, så høy som h. Den vertikale komponenten av overflatespenningskraften er:

F = γ²πr cos θ

Mens vekten av væsken i kapillarrøret er:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ (π r² ^h ) g

Når væsken når sin maksimale høyde (h), må den vertikale komponenten av overflatespenningskraften være lik vekten av væsken i kapillarrøret. Matematisk skrevet:

Dette er ligningen vi ser etter. Hvis du vil bestemme høyden på væskesøylen, bør du vurdere å bruke denne ligningen.