Сила кохезије и адхезије
Кохезионна сила је сила привлачења између молекула у сличној супстанци, док се сила привлачења између молекула неједнаке супстанце назива адхезионна сила. На пример, 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 научимо концепт капиларности, прво ћемо разумети како сила адхезије и сила кохезије утичу на капиларност. На пример, размотримо течност у чаши. Када је сила кохезије молекула течности јача од силе адхезије (силе вуче између молекула течности и молекула стакла), површина течности ће формирати криву нагоре. Пример овог случаја је када је вода у чаши. Обично се каже да вода натапа површину стакла. Супротно томе, ако је сила адхезије јача, онда ће се површина течности закривити надоле. На пример, када је жива у чаши.
Угао који формира крива назива се контактни угао. Када је сила кохезије флуида већа од силе адхезије, створени контактни угао је генерално мањи од 90o (слика а). Насупрот томе, ако је сила адхезије већа од силе кохезије флуида, створени контактни угао је већи од 90o (слика б). Силе адхезије и кохезије је теоретски тешко израчунати, али контактни углови се могу измерити. Какве то везе има са капиларношћу?
Концепт капиларности
Ако је сила кохезије флуида већа од силе адхезије, површина течности ће се увијати нагоре. Када уметнемо танку цев или цев (цев чији је пречник мањи од посуде), течност у посуди се подиже кроз стуб цеви. То је зато што сила укупног површинског напона дуж зида цеви делује навише. Максимална висина коју течност може да достигне је када је сила површинског напона једнака тежини течности у цеви. Дакле, течност се може подићи само до висине где је сила површинског напона уравнотежена са тежином течности у цеви.
Насупрот томе, ако је сила адхезије већа од силе кохезије флуида, површина течности ће се закривити надоле. Када уметнемо танку цев или цев (цев мањег пречника од посуде), она ће формирати доњи део течности (видети слику испод).
Овај ефекат је познат као капиларност, а танка цев се назива капиларном цевчицом. Имајте на уму да се наши најмањи крвни судови такође могу назвати капиларним цевима, јер се циркулација крви у малим крвним судовима такође одвија због ефеката капиларности. Слично томе, феномен пораста топљења воска или керозина кроз осу. Штавише, верује се да капиларност игра суштинску улогу у проласку воде и хранљивих материја од корена до лишћа кроз ксилемске судове. Ако нема капиларности, површина земљишта ће се осушити одмах након кише. Још један значајан ефекат капиларности је задржавање воде у празнинама између честица земљишта.
Једначина капиларности
Како можемо одредити висину подизања воде кроз стуб капиларне цеви? Подизање течности у стубу капиларне цеви, који има полупречник r до висине h. Сила која делује држећи течност на висини h је компонента силе површинског напона у вертикалном смеру: F cos θ.
Врх капиларне цеви је отворен тако да на површини течности делује атмосферски притисак. Дужина површине додира између течности и цеви је 2πr (обим). Дакле, величина силе површинског напона вертикалних компоненти које делују дуж контактне површине је:
F = сила површинског напона, γ = површински напон, r = полупречник капиларне цеви, θ = контактни угао
Ако се занемарује закривљена површина усмерена нагоре, запремина течности у цеви је:
Запремина флуида = 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 се течност не може поново подићи. Другим речима, течност ће достићи своју максималну висину, ако је вертикална компонента силе површинског напона уравнотежена са тежином течности, чак до h. Вертикална компонента силе површинског напона је:
F = γ²πr cos θ
Док је тежина течности у капиларној цеви:
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, записано:
Ово је једначина коју тражимо. Ако желите да одредите висину стуба течности, размислите о коришћењу ове једначине.
