kapilarnost

Sila kohezije in adhezije

Kohezijska sila je privlačna sila med molekulami v podobni snovi, medtem ko se privlačna sila med molekulami neenake snovi imenuje adhezijska sila. Na primer, vodo nalijemo v kozarec. Kohezija nastane, ko se molekule vode privlačijo, adhezija pa, ko se molekule vode in molekule stekla privlačijo.

Kontaktni kot

Preden se naučimo koncepta kapilarnosti, najprej razumemo, kako adhezijska in kohezijska sila vplivata na kapilarnost. Na primer, pregledamo tekočino v kozarcu. Ko je kohezijska sila molekule tekočine močnejša od adhezijske sile (sile vlečenja med molekulo tekočine in molekulo stekla), se površina tekočine ukrivi navzgor. Primer tega je voda v kozarcu. Običajno pravimo, da voda prepoji površino stekla. Nasprotno, če je adhezijska sila močnejša, se površina tekočine ukrivi navzdol. Na primer, ko je živo srebro v kozarcu.

Kot, ki ga tvori krivulja, se imenuje kontaktni kot. Ko je kohezijska sila tekočine večja od adhezijske sile, je ustvarjeni kontaktni kot običajno manjši od 90.^o (slika a). Nasprotno pa, če je adhezijska sila večja od kohezijske sile tekočine, je ustvarjeni kontaktni kot večji od 90^o (slika b). Adhezijske in kohezijske sile je teoretično težko izračunati, kontaktne kote pa je mogoče izmeriti. Kakšno zvezo ima to s kapilarnostjo?

Koncept kapilarnosti

Če je kohezijska sila tekočine večja od adhezijske sile, se bo površina tekočine zvila navzgor. Ko vstavimo tanko cev ali cev (cev, katere premer je manjši od posode), se tekočina v posodi dvigne skozi steber cevi. To je zato, ker sila celotne površinske napetosti vzdolž stene cevi deluje navzgor. Največja višina, ki jo lahko tekočina doseže, je, ko je sila površinske napetosti enaka teži tekočine v cevi. Torej se tekočina lahko dvigne le do višine, kjer je sila površinske napetosti uravnotežena s težo tekočine v cevi.

Nasprotno, če je adhezijska sila večja od kohezijske sile tekočine, se bo površina tekočine ukrivila navzdol. Ko vstavimo tanko cevko ali cev (cev z manjšim premerom kot posoda), bo tvorila spodnji del tekočine (glej spodnjo sliko).

Ta učinek je znan kot kapilara, tanka cev pa se imenuje kapilarna cev. Upoštevajte, da lahko tudi naše najmanjše krvne žile imenujemo kapilare, ker do krvnega obtoka v majhnih krvnih žilah prav tako pride zaradi učinkov kapilare. Podobno velja za pojav naraščajočega taljenja voska ali kerozina skozi os. Poleg tega naj bi kapilarnost igrala bistveno vlogo pri prehodu vode in hranilnih snovi od korenin do listov skozi ksilemske žile. Če kapilarnosti ni, se površina tal po dežju takoj posuši. Drug pomemben učinek kapilarnosti je zadrževanje vode v režah med delci tal.

Enačba kapilarnosti

Kako lahko določimo višino dviga vode skozi kapilarno cev? Dvig tekočine v kapilarni cevki s polmerom r do višine h. Sila, ki deluje pri zadrževanju tekočine na višini h, je komponenta sile površinske napetosti v navpični smeri: F cos θ.

Vrh kapilarne cevi je odprt, tako da na površini tekočine deluje atmosferski tlak. Dolžina kontaktne površine med tekočino in cevjo je 2πr (obseg). Velikost sile površinske napetosti navpičnih komponent, ki delujejo vzdolž kontaktne površine, je torej:

F = sila površinske napetosti, γ = površinska napetost, r = polmer kapilare, θ = kontaktni kot

Če zanemarimo ukrivljeno navzgor usmerjeno površino, je volumen tekočine v cevi:

Prostornina tekočine = površina cevi x-višina tekočine

V = Ah

V = (πr² ⁾ h

Če je navpična komponenta sile površinske napetosti uravnotežena s težo stebra tekočine v kapilari, se tekočina ne more več dvigniti. Z drugimi besedami, tekočina bo dosegla svojo največjo višino, če je navpična komponenta sile površinske napetosti uravnotežena s težo tekočine, in sicer do h. Navpična komponenta sile površinske napetosti je:

F = γ²πr cos θ

Medtem ko je teža tekočine v kapilarni cevi:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ(πr²h ⁾ g

Ko tekočina doseže svojo največjo višino (h), mora biti navpična komponenta sile površinske napetosti enaka teži tekočine v kapilari. Matematično zapisano:

To je enačba, ki jo iščemo. Če želite določiti višino tekočega stebra, razmislite o uporabi te enačbe.