Kapillaritet

Har du någonsin sett ett ljus? Förhoppningsvis kommer du att använda det. Ett intressant fenomen vi kan se när ett ljus brinner. Undersidan av en brinnande ljusveke är vanligtvis alltid våt av smält vax (på veken). Närvaron av smält vax på veken gör att ljuset kan brinna länge. Vad får smält vax att röra sig uppåt mot den brinnande ljusveken? Vi kan observera samma fenomen i facklor.

Många intressanta saker i våra liv liknar de fenomen som uppstår i ljus och oljelampor. Det är som om vätskan har ben som gör att den kan röra sig uppåt. Kan du förklara detta vetenskapligt? Ett fysikbegrepp som kan förklara de fenomen som uppstår i ljus, oljelampor och många andra relaterade fenomen är kapillärkraft.

Kohesions- och adhesionskrafter

Kohesion är den attraktionskraft som uppstår mellan molekyler av samma ämne, medan attraktionskraften mellan molekyler av olika ämnen kallas adhesion. Om vi ​​till exempel häller vatten i ett glas uppstår kohesion när vattenmolekyler attraherar varandra, medan adhesion uppstår när vattenmolekyler och glasmolekyler attraherar varandra.

Kontaktvinkel

Innan vi fördjupar oss i begreppet kapillaritet måste vi först förstå hur adhesiva och kohesiva krafter påverkar kapillaritet. Tänk dig till exempel en vätska i ett glas. När vätskemolekylernas kohesiva krafter är starkare än adhesionskrafterna (attraktionskrafterna mellan vätskemolekylerna och glasmolekylerna) kommer vätskans yta att böjas uppåt. Ett exempel på detta är när vatten finns i ett glas. Det sägs vanligtvis att vatten väter glasytan. Omvänt, om adhesionskrafterna är starkare, kommer vätskans yta att böjas nedåt. Till exempel när kvicksilver finns i ett glas.

Vinkeln som bildas av kurvan kallas kontaktvinkeln. När vätskans kohesiva kraft är större än vidhäftningskraften är den bildade kontaktvinkeln i allmänhet mindre än 90°.^o (bild a). Omvänt, om vidhäftningskraften är större än vätskekohesionskraften, då är den bildade kontaktvinkeln större än 90^o (figur b). Adhesions- och kohesionskrafter är teoretiskt svåra att beräkna, men kontaktvinkeln kan mätas. Vad är sambandet med kapillaritet?

Begreppet kapillaritet

Om en vätskas kohesiva kraft är större än vidhäftningskraften, kommer vätskans yta att böjas uppåt. När vi för in ett tunt rör eller rör (ett rör med en mindre diameter än behållaren) kommer en högre sektion av vätskan att bildas. Med andra ord stiger vätskan i behållaren genom rörets pelare. Detta beror på att den totala ytspänningskraften längs rörväggen verkar uppåt. Den maximala höjden en vätska kan nå är när ytspänningskraften är lika med eller lika med vätskans vikt i röret. Därför kan vätskan bara stiga till en höjd där ytspänningskraften balanseras av vätskans vikt i röret.

Omvänt, om vidhäftningskraften är större än vätskans kohesiva kraft, kommer vätskans yta att böjas nedåt. När vi för in ett tunt rör eller rör (ett rör med mindre diameter än behållaren) kommer en nedre del av vätskan att bildas (se bilden nedan).

Denna effekt kallas kapillärrörelse, eller kapillaritet, och dessa tunna rör kallas kapillärrör. Det är värt att notera att våra minsta blodkärl också kan kallas kapillärrör, eftersom blodcirkulationen i dessa små kärl också beror på kapilläreffekten. På liknande sätt är fenomenet med smältande vax eller fotogen som stiger genom en veke också tydligt. Dessutom tros kapillaritet spela en viktig roll i förflyttningen av vatten och näringsämnen från rötterna till bladen genom de små xylemkärlen. Utan kapillaritet skulle jordytan torka ut omedelbart efter regn eller bevattning. En annan viktig effekt av kapillaritet är retentionen av vatten i mellanrummen mellan jordpartiklarna.

Kapillaritetsekvationen

Hur kan vi bestämma höjden på vattnet som stiger genom en kapillärrörskolonn? Vätskan verkar stiga i kolonnen. kapillärrör som har en radie r till en höjd h. Kraften som spelar en roll för att hålla vätskan på en höjd h är komponenten av ytspänningskraften i vertikal riktning: F cos theta.

Kapillärrörets ovansida är öppen, så atmosfärstryck utövas på vätskeytan. Längden på kontaktytan mellan vätskan och röret är 2 phi r (cirkelns omkrets). Därför är storleken på den vertikala komponenten av ytspänningskraften som verkar längs kontaktytan:

Om den uppåtgående kurvan för vätskeytan ignoreras, är vätskevolymen i röret:

Vätskevolym = Rörets yta x Vätskehöjd

V = A h

V = (πr² ⁾ h

Om den vertikala komponenten av ytspänningskraften balanseras med vikten av vätskepelaren i kapillärröret, kan vätskan inte stiga längre. Med andra ord kommer vätskan att nå sin maximala höjd när den vertikala komponenten av ytspänningskraften balanseras med vätskans vikt på höjden h. Den vertikala komponenten av ytspänningskraften är:

F = γ²πr cos θ

Samtidigt är vätskans vikt i kapillärröret:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ (π r² ^h ) g

När vätskan når sin maximala höjd (h) måste den vertikala komponenten av ytspänningskraften vara lika med vätskans vikt i kapillärröret. Matematiskt skrivs det:

Det här är ekvationen vi letar efter. Om du vill bestämma höjden på en vätskepelare, använd den här ekvationen.