Siła spójności i adhezji
Siła kohezji to siła przyciągania między cząsteczkami podobnej substancji, natomiast siła przyciągania między cząsteczkami substancji o różnych masach nazywana jest siłą adhezji. Na przykład, wlewamy wodę do szklanki. Kohezja występuje, gdy cząsteczki wody przyciągają się, a adhezja występuje, gdy cząsteczki wody i cząsteczki szkła przyciągają się.
Kąt zwilżania
Zanim poznamy pojęcie kapilarności, najpierw zrozumiemy wpływ siły adhezji i siły kohezji na kapilarność. Na przykład, przeanalizujemy ciecz w szklance. Gdy siła kohezji cząsteczki cieczy jest większa niż siła adhezji (siła przyciągania między cząsteczką cieczy a cząsteczką szkła), powierzchnia cieczy wygina się ku górze. Przykładem tego jest sytuacja, gdy w szklance znajduje się woda. Zwykle mówi się, że woda nasiąka powierzchnię szklanki. I odwrotnie, jeśli siła adhezji jest większa, powierzchnia cieczy wygina się ku dołowi. Na przykład, gdy w szklance znajduje się rtęć.
Kąt utworzony przez krzywą nazywa się kątem zwilżenia. Gdy siła spójności płynu jest większa niż siła adhezji, kąt zwilżenia jest zazwyczaj mniejszy niż 90°.o (rysunek a). Odwrotnie, jeśli siła adhezji jest większa niż siła spójności płynu, utworzony kąt zwilżenia jest większy niż 90°.o (rysunek b). Siły adhezji i siły spójności są teoretycznie trudne do obliczenia, ale kąty zwilżania można zmierzyć. Co to ma wspólnego z kapilarnością?
Koncepcja kapilarności
Jeśli siła spójności cieczy jest większa niż siła adhezji, powierzchnia cieczy będzie się unosić. Po włożeniu cienkiej rurki (rury o średnicy mniejszej niż średnica pojemnika) ciecz w pojemniku unosi się w rurze. Dzieje się tak, ponieważ siła całkowitego napięcia powierzchniowego wzdłuż ścianki rury działa ku górze. Maksymalna wysokość, jaką może osiągnąć ciecz, to taka, w której siła napięcia powierzchniowego jest równa ciężarowi cieczy w rurze. Zatem ciecz może unieść się tylko na taką wysokość, na której siła napięcia powierzchniowego jest zrównoważona z ciężarem cieczy w rurze.
I odwrotnie, jeśli siła adhezji jest większa niż siła spójności płynu, powierzchnia cieczy zakrzywi się w dół. Po włożeniu cienkiej rurki lub rurki (o mniejszej średnicy niż pojemnik), utworzy ona dolną część cieczy (patrz rysunek poniżej).
Efekt ten znany jest jako kapilarność, a cienka rurka – jako kapilar. Należy pamiętać, że nasze najmniejsze naczynia krwionośne również mogą być nazywane kapilarami, ponieważ krążenie krwi w małych naczyniach krwionośnych również zachodzi dzięki efektom kapilarnym. Podobnie, zjawisko topiącego się wosku lub nafty unosi się w górę wzdłuż osi. Ponadto uważa się, że kapilarność odgrywa również istotną rolę w transporcie wody i substancji odżywczych z korzeni do liści poprzez naczynia ksylemu. Jeśli nie ma kapilarności, powierzchnia gleby wysycha natychmiast po deszczu. Innym istotnym efektem kapilarności jest zatrzymywanie wody w szczelinach między cząsteczkami gleby.
Równanie kapilarności
Jak określić wysokość podnoszenia się wody przez kolumnę kapilarną? Podnoszenie się cieczy w kolumnie kapilarnej o promieniu r do wysokości h. Siła działająca na utrzymanie cieczy na wysokości h jest składową siły napięcia powierzchniowego w kierunku pionowym: F cos θ.
Górna część rurki kapilarnej jest otwarta, więc na powierzchnię cieczy wywierane jest ciśnienie atmosferyczne. Długość powierzchni styku między cieczą a rurką wynosi 2πr (obwód). Zatem wartości siły napięcia powierzchniowego składowych pionowych działających wzdłuż powierzchni styku wynoszą:
F = siła napięcia powierzchniowego, γ = napięcie powierzchniowe, r = promień rurki kapilarnej, θ = kąt zwilżenia
Jeżeli zignorujemy zakrzywioną powierzchnię skierowaną ku górze, objętość cieczy w rurze wyniesie:
Objętość cieczy = powierzchnia rury x-wysokość cieczy
V = A h
V = (π r 2 ) h
Jeśli pionowa składowa siły napięcia powierzchniowego jest zrównoważona ciężarem słupa cieczy w rurce kapilarnej, ciecz nie może się ponownie unieść. Innymi słowy, ciecz osiągnie maksymalną wysokość, jeśli pionowa składowa siły napięcia powierzchniowego jest zrównoważona ciężarem cieczy, wynoszącą h. Pionowa składowa siły napięcia powierzchniowego wynosi:
F = γ 2 π r cos θ
Podczas gdy masa cieczy w rurce kapilarnej wynosi:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 h) g
Gdy ciecz osiągnie maksymalną wysokość (h), składowa pionowa siły napięcia powierzchniowego musi być równa ciężarowi cieczy w rurce kapilarnej. Matematycznie, zapisujemy to następująco:
To jest równanie, którego szukamy. Jeśli chcesz określić wysokość słupa cieczy, rozważ użycie tego równania.
