капиллярность

Сила сцепления и адгезии

Сила сцепления — это сила притяжения между молекулами одинакового вещества, тогда как сила притяжения между молекулами неравного вещества называется силой адгезии. Например, мы наливаем воду в стакан. Сцепление происходит, когда молекулы воды притягиваются друг к другу, а адгезия — когда молекулы воды и молекулы стекла притягиваются друг к другу.

Контактный угол

Прежде чем изучать понятие капиллярности, сначала разберемся, как сила адгезии и сила когезии влияют на капиллярность. Например, рассмотрим жидкость в стакане. Когда сила когезии молекул жидкости сильнее силы адгезии (силы притяжения между молекулой жидкости и молекулой стекла), поверхность жидкости будет изгибаться вверх. Примером этого случая является вода в стакане. Обычно говорят, что вода пропитывает поверхность стакана. И наоборот, если сила адгезии сильнее, то поверхность жидкости будет изгибаться вниз. Например, когда ртуть находится в стакане.

Угол, образованный кривой, называется углом контакта. Когда сила сцепления жидкости превышает силу адгезии, создаваемый угол контакта обычно меньше 90°.^o (рисунок а). И наоборот, если сила адгезии выше силы сцепления жидкости, то создаваемый угол контакта превышает 90°.^o (рисунок b). Силы адгезии и когезии теоретически сложно рассчитать, но углы смачивания можно измерить. Какое отношение это имеет к капиллярности?

Концепция капиллярности

Если сила сцепления жидкости превышает силу адгезии, поверхность жидкости будет загибаться вверх. Когда мы вставляем тонкую трубку (трубу, диаметр которой меньше диаметра контейнера), жидкость в контейнере поднимается вверх по стенке трубы. Это происходит потому, что сила полного поверхностного натяжения вдоль стенки трубки действует вверх. Максимальная высота, которую может достичь жидкость, достигается тогда, когда сила поверхностного натяжения равна весу жидкости в трубе. Таким образом, жидкость может подняться только до той высоты, где сила поверхностного натяжения уравновешивается весом жидкости в трубе.

И наоборот, если сила адгезии превышает силу сцепления жидкости, поверхность жидкости будет изгибаться вниз. Если мы вставим тонкую трубку или трубу (трубу меньшего диаметра, чем контейнер), она образует более низкую часть жидкости (см. рисунок ниже).

Этот эффект известен как капиллярный, а тонкая трубка называется капиллярной трубкой. Следует помнить, что наши мельчайшие кровеносные сосуды также можно назвать капиллярными трубками, поскольку кровообращение в мелких кровеносных сосудах также происходит благодаря капиллярному эффекту. Аналогично, явление подъема расплавленного воска или керосина происходит по оси. Кроме того, считается, что капиллярность играет важную роль в прохождении воды и питательных веществ от корней к листьям через ксилемные сосуды. Если капиллярности нет, поверхность почвы быстро высохнет после дождя. Еще одним важным эффектом капиллярности является удержание воды в промежутках между частицами почвы.

Уравнение капиллярности

Как определить высоту подъема воды в капиллярной трубке? Подъем жидкости в капиллярной трубке радиусом r до высоты h. Сила, удерживающая жидкость на высоте h, — это составляющая силы поверхностного натяжения в вертикальном направлении: F cos θ.

Верхняя часть капиллярной трубки открыта, так что на поверхность жидкости действует атмосферное давление. Длина контактной поверхности между жидкостью и трубкой составляет 2πr (длина окружности). Таким образом, величина силы поверхностного натяжения вертикальных составляющих, действующих вдоль контактной поверхности, равна:

F = Сила поверхностного натяжения, γ = Поверхностное натяжение, r = радиус капиллярной трубки, θ = Угол смачивания

Если пренебречь изогнутой верхней поверхностью, то объем жидкости в трубе составит:

Объем жидкости = площадь поверхности трубы x высота жидкости

В = Ач

V = (π r ² ) h

Если вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения уравновешивается весом столба жидкости в капиллярной трубке, то жидкость не сможет подняться снова. Другими словами, жидкость достигнет своей максимальной высоты, если вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения уравновешивается весом жидкости, достигая высоты h. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения равна:

F = γ 2 π r cos θ

При этом вес жидкости в капиллярной трубке составляет:

w = мг

w = ρ V g

w = ρ (π r² ч) г

Когда жидкость достигает максимальной высоты (h), вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения mпросто равна весу жидкости в капиллярной трубке. Математически это записывается так:

Это именно то уравнение, которое нам нужно. Если вы хотите определить высоту столба жидкости, пожалуйста, воспользуйтесь этим уравнением.