Capilaritate

Forța de coeziune și aderență

Forța de coeziune este o forță de atracție între moleculele unei substanțe similare, în timp ce o forță de atracție între moleculele unei substanțe inegale se numește Forță de Aderență. De exemplu, turnăm apă într-un pahar. Coeziunea are loc atunci când moleculele de apă se atrag reciproc, în timp ce aderența are loc atunci când moleculele de apă și moleculele de sticlă se atrag reciproc.

Unghi de contact

Înainte de a învăța conceptul de capilaritate, vom înțelege mai întâi cum influențează forța de aderență și forța de coeziune asupra capilarității. De exemplu, vom analiza lichidul dintr-un pahar. Atunci când forța de coeziune a moleculei de lichid este mai puternică decât forța de aderență (forța de tracțiune dintre molecula de lichid și molecula de sticlă), suprafața lichidului va forma o curbă ascendentă. Un exemplu în acest caz este atunci când apa se află într-un pahar. De obicei, se spune că apa îmbibă suprafața sticlei. Invers, dacă forța de aderență este mai puternică, atunci suprafața lichidului se va curba în jos. De exemplu, atunci când mercurul se află într-un pahar.

Unghiul format de curbă se numește unghi de contact. Când forța de coeziune a fluidului este mai mare decât forța de aderență, unghiul de contact creat este în general mai mic de 90°.^o (figura a). În schimb, dacă forța de aderență este mai mare decât forța de coeziune a fluidului, unghiul de contact creat este mai mare de 90°.^o (figura b). Forțele de aderență și forțele de coeziune sunt teoretic dificil de calculat, dar unghiurile de contact pot fi măsurate. Ce legătură are aceasta cu capilaritatea?

Conceptul de capilaritate

Dacă forța de coeziune a fluidului este mai mare decât forța de aderență, suprafața lichidului se va ondulează în sus. Când introducem un tub sau o țeavă subțire (o țeavă al cărei diametru este mai mic decât recipientul), lichidul din recipient se ridică prin coloana țevii. Acest lucru se datorează faptului că forța tensiunii superficiale totale de-a lungul peretelui tubului lucrează în sus. Înălțimea maximă pe care o poate atinge un lichid este atunci când forța tensiunii superficiale este egală cu greutatea lichidului din țeavă. Deci, lichidul se poate ridica doar până la o înălțime la care forța tensiunii superficiale este echilibrată cu greutatea lichidului din țeavă.

În schimb, dacă forța de aderență este mai mare decât forța de coeziune a fluidului, suprafața lichidului se va curba în jos. Când introducem un tub sau o țeavă subțire (o țeavă cu un diametru mai mic decât recipientul), aceasta va forma o parte inferioară a lichidului (vezi imaginea de mai jos).

Acest efect este cunoscut sub numele de capilaritate, iar țeava subțire se numește tub capilar. Rețineți că cele mai mici vase de sânge ale noastre pot fi numite și țevi capilare, deoarece circulația sângelui în vasele mici de sânge are loc și datorită efectelor capilarității. De asemenea, fenomenul de topire ascendentă a cerii sau a kerosenului prin axă are loc. În plus, se crede că capilaritatea joacă un rol esențial și în trecerea apei și a substanțelor nutritive de la rădăcini la frunze prin vasele xilemului. Dacă nu există capilaritate, suprafața solului se va usca imediat după ploaie. Un alt efect semnificativ al capilarității este retenția apei în spațiile dintre particulele de sol.

Ecuația capilarității

Cum putem determina înălțimea apei care se ridică prin coloana capilară? Lichidul se ridică în coloana capilară, care are o rază r până la înălțimea h. Forța care acționează pentru menținerea lichidului la înălțimea h este componenta forței de tensiune superficială în direcție verticală: F cos θ.

Partea superioară a tubului capilar este deschisă, astfel încât există presiune atmosferică la suprafața lichidului. Lungimea suprafeței de contact dintre lichid și țeavă este de 2πr (circumferință). Astfel, magnitudinea forței de tensiune superficială a componentelor verticale care lucrează de-a lungul suprafeței de contact este:

F = Forța de tensiune superficială, γ = Tensiunea superficială, r = raza tubului capilar, θ = Unghiul de contact

Dacă suprafața curbată în sus este ignorată, volumul de lichid din țeavă este:

Volumul fluidului = suprafața țevii x înălțimea lichidului

V = Ah

V = (π r² ⁾ h

Dacă componenta verticală a Forței de Tensiune Superficială este echilibrată cu greutatea coloanei de lichid din tubul capilar, atunci lichidul nu se poate ridica din nou. Cu alte cuvinte, lichidul va atinge înălțimea sa maximă dacă componenta verticală a forței de tensiune superficială este echilibrată cu greutatea lichidului, până la h. Componenta verticală a forței de tensiune superficială este:

F = γ²πr cosθ

În timp ce greutatea lichidului din conducta capilară este:

w = mg

w = ρVg

w = ρ (π r ² h) g

Când lichidul atinge înălțimea maximă (h), componenta verticală a forței de tensiune superficială trebuie să fie egală cu greutatea lichidului din tubul capilar. Matematic, se scrie:

Aceasta este ecuația pe care o căutăm. Dacă doriți să determinați înălțimea coloanei de lichid, vă rugăm să luați în considerare utilizarea acestei ecuații.