Sila súdržnosti a adhézie
Kohézna sila je príťažlivá sila medzi molekulami v podobnej látke, zatiaľ čo príťažlivá sila medzi molekulami nerovnakej látky sa nazýva adhézna sila. Napríklad nalejeme vodu do pohára. Kohézia nastáva, keď sa molekuly vody navzájom priťahujú, zatiaľ čo adhézia nastáva, keď sa molekuly vody a molekuly skla navzájom priťahujú.
Kontaktný uhol
Predtým, ako sa naučíme koncept kapilarity, najprv pochopíme, ako na kapilaritu pôsobí adhézna a kohézna sila. Napríklad si ukážeme kvapalinu v skle. Keď je kohézna sila molekuly kvapaliny silnejšia ako adhézna sila (ťahová sila medzi molekulou kvapaliny a molekulou skla), povrch kvapaliny vytvorí krivku smerujúcu nahor. Príkladom tohto prípadu je voda v pohári. Zvyčajne sa hovorí, že voda nasiakne povrch skla. Naopak, ak je adhézna sila silnejšia, povrch kvapaliny sa zakriví smerom nadol. Napríklad, keď je ortuť v pohári.
Uhol, ktorý zviera krivka, sa nazýva kontaktný uhol. Keď je kohézna sila kvapaliny väčšia ako adhézna sila, vytvorený kontaktný uhol je vo všeobecnosti menší ako 90o (obrázok a). Naopak, ak je adhézna sila vyššia ako kohézna sila kvapaliny, vytvorený kontaktný uhol je väčší ako 90o (obrázok b). Adhézne sily a kohézne sily sa teoreticky ťažko vypočítavajú, ale kontaktné uhly sa dajú merať. Čo to má spoločné s kapilaritou?
Koncept kapilarity
Ak je kohézna sila kvapaliny väčšia ako adhézna sila, povrch kvapaliny sa zvlní smerom nahor. Keď vložíme tenkú trubicu alebo potrubie (rúru, ktorej priemer je menší ako nádoba), kvapalina v nádobe stúpne cez stĺpec trubice. Je to preto, že sila celkového povrchového napätia pozdĺž steny trubice pôsobí smerom nahor. Maximálna výška, ktorú môže kvapalina dosiahnuť, je vtedy, keď je sila povrchového napätia rovná hmotnosti kvapaliny v potrubí. Kvapalina teda môže stúpnuť iba do výšky, kde je sila povrchového napätia vyvážená hmotnosťou kvapaliny v potrubí.
Naopak, ak je adhézna sila väčšia ako kohézna sila tekutiny, povrch kvapaliny sa zakriví smerom nadol. Keď vložíme tenkú trubicu alebo potrubie (potrubie s menším priemerom ako nádoba), vytvorí spodnú časť kvapaliny (pozri obrázok nižšie).
Tento efekt je známy ako kapilára a tenká rúrka sa nazýva kapilárna trubica. Majte na pamäti, že naše najmenšie cievy sa môžu nazývať aj kapiláry, pretože krvný obeh v malých cievach prebieha tiež v dôsledku účinkov kapiláry. Podobne aj jav stúpajúceho topenia vosku alebo petroleja cez os. Okrem toho sa predpokladá, že kapilárnosť zohráva dôležitú úlohu aj pri prechode vody a živín z koreňov do listov cez xylémové cievy. Ak nie je prítomná kapilárnosť, povrch pôdy po daždi ihneď vyschne. Ďalším významným účinkom kapilárnosti je zadržiavanie vody v medzerách medzi časticami pôdy.
Rovnica kapilárnosti
Ako určíme výšku stúpania vody cez kapilárnu rúrku? Kvapalina stúpa v kapilárnej rúrke s polomerom r až do výšky h. Sila pôsobiaca pri udržiavaní kvapaliny vo výške h je zložkou sily povrchového napätia vo vertikálnom smere: F cos θ.
Horná časť kapilárnej trubice je otvorená, takže na povrch kvapaliny pôsobí atmosférický tlak. Dĺžka dotykovej plochy medzi kvapalinou a trubicou je 2πr (obvod). Veľkosť sily povrchového napätia zvislých zložiek, ktoré pôsobia pozdĺž kontaktnej plochy, je teda:
F = sila povrchového napätia, γ = povrchové napätie, r = polomer kapiláry, θ = kontaktný uhol
Ak sa zanedbá zakrivená nahor smerujúca plocha, objem kvapaliny v potrubí je:
Objem kvapaliny = plocha povrchu potrubia x-výška kvapaliny
V = Ah
V = (πr² ) h
Ak je vertikálna zložka sily povrchového napätia v rovnováhe s hmotnosťou stĺpca kvapaliny v kapilárnej trubici, kvapalina sa nemôže opäť zdvihnúť. Inými slovami, kvapalina dosiahne svoju maximálnu výšku, ak je vertikálna zložka sily povrchového napätia v rovnováhe s hmotnosťou kvapaliny, a to až do výšky h. Vertikálna zložka sily povrchového napätia je:
F = γ²πr cos θ
Zatiaľ čo hmotnosť kvapaliny v kapilárnej rúrke je:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ(πr²h ) g
Keď kvapalina dosiahne svoju maximálnu výšku (h), vertikálna zložka sily povrchového napätia sa musí rovnať hmotnosti kvapaliny v kapilárnej trubici. Matematicky sa to zapíše ako:
Toto je rovnica, ktorú hľadáme. Ak chcete určiť výšku stĺpca kvapaliny, zvážte použitie tejto rovnice.
