Капиларност

Да ли сте икада видели свећу? Надам се да ћете је користити. Једна занимљива појава коју можемо видети када свећа гори. Доњи део фитиља свеће који гори је обично увек влажан од растопљеног воска (на фитиљу). Присуство растопљеног воска на фитиљу значи да свећа може дуго да гори. Шта узрокује да се растопљени восак креће навише према фитиљу свеће који гори? Исту појаву можемо посматрати код бакљи.

Многе занимљиве ствари у нашим животима сличне су феноменима који се јављају код свећа и уљаних лампи. Као да течност има ноге, што јој омогућава да се креће навише. Можете ли ово научно објаснити? Један физички концепт који може објаснити феномене који се јављају код свећа, уљаних лампи и многих других сродних феномена је капиларност.

Кохезијске и адхезионе силе

Кохезија је привлачна сила између молекула исте супстанце, док се привлачна сила између молекула различитих супстанци назива адхезија. На пример, ако сипамо воду у чашу, кохезија настаје када се молекули воде привлаче, док адхезија настаје када се молекули воде и молекули стакла привлаче.

Контактни угао

Пре него што се удубимо у концепт капиларности, морамо прво разумети како адхезивне и кохезивне силе утичу на капиларност. На пример, размотримо течност у чаши. Када су кохезивне силе молекула течности јаче од адхезивних сила (привлачних сила између молекула течности и молекула стакла), површина течности ће се закривити нагоре. Пример за то је када је вода у чаши. Уобичајено се каже да вода кваси површину стакла. Насупрот томе, ако су адхезивне силе јаче, површина течности ће се закривити надоле. На пример, када је жива у чаши.

Капиларност 1Угао који формира крива назива се контактни угао. Када је кохезивна сила течности већа од силе лепљења, формирани контактни угао је генерално мањи од 90°.o (слика а). Насупрот томе, ако је сила адхезије већа од силе кохезије флуида, онда је формирани контактни угао већи од 90o (слика б). Силе адхезије и кохезије је теоретски тешко израчунати, али контактни угао се може измерити. Каква је веза са капиларношћу?

Концепт капиларности

Капиларност 2Ако је кохезивна сила течности већа од силе лепљења, површина течности ће се закривити нагоре. Када уметнемо танку цев или цев (цев мањег пречника од посуде), формираће се виши део течности. Другим речима, течност у посуди се подиже кроз стуб цеви. То је зато што укупна сила површинског напона дуж зида цеви делује нагоре. Максимална висина коју течност може достићи је када је сила површинског напона једнака или једнака тежини течности у цеви. Стога, течност може да се подигне само до висине где је сила површинског напона уравнотежена тежином течности у цеви.

Насупрот томе, ако је сила лепљења већа од кохезионе силе течности, површина течности ће се закривити надоле. Када уметнемо танку цев или цев (цев мањег пречника од посуде), формираће се доњи део течности (видети слику испод).

Капиларност 3Овај ефекат је познат као капиларно кретање, или капиларност, а ове танке цеви се називају капиларне цеви. Вреди напоменути да се и наши најмањи крвни судови могу назвати капиларним цевима, јер је циркулација крви у овим ситним судовима такође последица капиларног ефекта. Слично томе, очигледан је и феномен топљења воска или керозина који се диже кроз фитиљ. Штавише, верује се да капиларност игра виталну улогу у кретању воде и хранљивих материја од корена до лишћа кроз ситне ксилемске судове. Без капиларности, површина земљишта би се осушила одмах након кише или наводњавања. Још један важан ефекат капиларности је задржавање воде у празнинама између честица земљишта.

Једначина капиларности

Како можемо одредити висину воде која се пење кроз стуб капиларне цеви? Течност као да се пење у стубу. Капиларност 4капиларна цев која има полупречник r до висине h. Сила која игра улогу у држању течности на висини h је компонента силе површинског напона у вертикалном смеру: F cos theta.

Врх капиларне цеви је отворен, тако да се на површину течности делује атмосферски притисак. Дужина контактне површине између течности и цеви је 2 фи r (обим круга). Стога је величина вертикалне компоненте силе површинског напона која делује дуж контактне површине:

Капиларност 5

Ако се занемарује узлазна крива површине течности, онда је запремина течности у цеви:

Запремина течности = Површина цеви x Висина течности

В = Ах

V = (πr² ) h

Ако је вертикална компонента силе површинског напона уравнотежена са тежином стуба течности у капиларној цеви, онда течност не може даље да се подиже. Другим речима, течност ће достићи своју максималну висину када је вертикална компонента силе површинског напона уравнотежена са тежином течности на висини h. Вертикална компонента силе површинског напона је:

F = γ²πr cos θ

У међувремену, тежина течности у капиларној цеви је:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ(πr²h ) g

Када течност достигне своју максималну висину (h), вертикална компонента силе површинског напона мора бити једнака тежини течности у капиларној цеви. Математички, то се пише:

Капиларност 6

Ово је једначина коју тражимо. Ако желите да одредите висину стуба течности, користите ову једначину.

Оставите коментар