Kapillaritet

Sammanhållnings- och vidhäftningskraft

Kohesionskraften är en attraktionskraft mellan molekyler i ett liknande ämne, medan en attraktionskraft mellan molekyler i ett ojämnt ämne kallas adhesionskraften. Till exempel häller vi vatten i ett glas. Kohesion uppstår när vattenmolekyler attraherar varandra, medan adhesion uppstår när vattenmolekyler och glasmolekyler attraherar varandra.

Kontaktvinkel

Innan vi lär oss konceptet kapillaritet förstår vi först hur adhesionskraft och kohesionskraft påverkar kapillaritet. Till exempel tittar vi på vätskan i ett glas. När kohesionskraften hos vätskemolekylen är starkare än adhesionskraften (dragkraften mellan vätskemolekylen och glasmolekylen) kommer vätskeytan att bilda en uppåtgående kurva. Ett exempel på detta fall är när vatten är i ett glas. Vanligtvis säger man att vatten dränker glasytan. Omvänt, om adhesionskraften är starkare, kommer vätskans yta att böjas nedåt. Till exempel när kvicksilver är i ett glas.

Vinkeln som bildas av kurvan kallas kontaktvinkeln. När vätskekohesionskraften är högre än adhesionskraften är den skapade kontaktvinkeln generellt mindre än 90^o (figur a). Omvänt, om vidhäftningskraften är högre än vätskekohesionskraften, är den skapade kontaktvinkeln större än 90^o (figur b). Adhesionskrafter och kohesionskrafter är teoretiskt svåra att beräkna, men kontaktvinklar kan mätas. Vad har det att göra med kapillaritet?

Kapillaritetskoncept

Om vätskans kohesionskraft är större än vidhäftningskraften kommer vätskeytan att böja sig uppåt. När vi för in ett tunt rör eller rör (ett rör vars diameter är mindre än behållaren) stiger vätskan i behållaren genom rörpelaren. Detta beror på att kraften från den totala ytspänningen längs rörväggen arbetar uppåt. Den maximala höjden som en vätska kan uppnå är när ytspänningskraften är lika med vätskans vikt i röret. Så vätskan kan bara stiga till en höjd där ytspänningskraften är balanserad med vätskans vikt i röret.

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

Denna effekt kallas kapillärrör, och det tunna röret kallas kapillärrör. Tänk på att våra minsta blodkärl också kan kallas kapillärrör eftersom blodcirkulationen i små blodkärl också sker på grund av kapillärrörets effekter. Likaså fenomenet med stigande smältning av vax eller fotogen genom axeln. Dessutom tros kapillärröret också spela en viktig roll i passagen av vatten och näringsämnen från rötterna till bladen genom xylemkärlen. Om det inte finns någon kapillärrörelse kommer jordytan att torka omedelbart efter regn. En annan betydande effekt av kapillärrörelse är att vatten kvarhålls i mellanrummen mellan jordpartiklarna.

Kapillaritetsekvationen

Hur kan vi bestämma höjden på vattnet som stiger genom kapillärrörspelaren? Vätskan stiger i kapillärrörspelaren, som har en radie r upp till höjden h. Kraften som verkar för att hålla vätskan på höjden h är komponenten av ytspänningskraften i vertikal riktning: F cos θ.

Kapillärrörets ovansida är öppen så att det finns atmosfärstryck på vätskeytan. Längden på beröringsytan mellan vätskan och röret är 2πr (omkrets). Således är storleken på ytspänningskraften för de vertikala komponenterna som verkar längs kontaktytan:

F = Ytspänningskraft, γ = Ytspänning, r = kapillärrörets radie, θ = Kontaktvinkel

Om den krökta uppåtgående ytan ignoreras blir vätskevolymen i röret:

Vätskevolym = rörets yta x vätskans höjd

V = A h

V = (π r²)h

Om den vertikala komponenten av ytspänningskraften balanseras med vikten av vätskepelaren i kapillärröret, kan vätskan inte stiga igen. Med andra ord, vätskan kommer att nå sin maximala höjd, om den vertikala komponenten av ytspänningskraften balanseras med vätskans vikt, så hög som h. Den vertikala komponenten av ytspänningskraften är:

F = γ²πr cos θ

Medan vätskans vikt i kapillärröret är:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ (π r² h) g

När vätskan når sin maximala höjd (h), är den vertikala komponenten av ytspänningskraften mär bara lika med vätskans vikt i kapillärröret. Matematiskt skrivet:

Det här är ekvationen vi letar efter. Om du vill bestämma höjden på vätskepelaren kan du överväga att använda den här ekvationen.