เส้นเลือดฝอย

แรงยึดเหนี่ยวและแรงยึดติด

แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล (Cohesion force) คือแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลในสารที่เหมือนกัน ในขณะที่แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของสารที่แตกต่างกันเรียกว่า แรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุล (Adhesion force) ตัวอย่างเช่น เราเทน้ำลงในแก้ว แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลของน้ำดึงดูดกัน ในขณะที่แรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลของน้ำและโมเลกุลของแก้วดึงดูดกัน

มุมสัมผัส

ก่อนที่จะเรียนรู้แนวคิดเรื่องการไหลซึมผ่านของเหลวในหลอดแคปิลลารี เราต้องเข้าใจก่อนว่าแรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลของเหลวกับแก้ว (adhesion force) และแรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลของแก้ว (cohesion force) มีอิทธิพลต่อการไหลซึมผ่านของเหลวในหลอดแคปิลลารีอย่างไร ยกตัวอย่างเช่น ของเหลวในแก้ว เมื่อแรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลของของเหลวกับแก้วแข็งแรงกว่าแรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลของเหลวกับแก้ว ผิวของเหลวจะโค้งขึ้นด้านบน ตัวอย่างเช่น เมื่อน้ำอยู่ในแก้ว โดยทั่วไปแล้ว น้ำจะซึมผ่านผิวแก้ว ในทางกลับกัน หากแรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลของเหลวกับแก้วแข็งแรงกว่า ผิวของเหลวจะโค้งลงด้านล่าง ตัวอย่างเช่น เมื่อปรอทอยู่ในแก้ว

มุมที่เกิดจากเส้นโค้งเรียกว่ามุมสัมผัส เมื่อแรงยึดเกาะของของเหลวสูงกว่าแรงยึดเกาะระหว่างของเหลวกับพื้นผิว มุมสัมผัสที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปจะมีขนาดเล็กกว่า 90 องศา^o (ภาพ ก) ในทางกลับกัน หากแรงยึดเกาะสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวของของเหลว มุมสัมผัสที่เกิดขึ้นจะมากกว่า 90 องศา^o (ภาพ ข) แรงยึดเกาะและแรงเชื่อมติดนั้นยากที่จะคำนวณในทางทฤษฎี แต่สามารถวัดมุมสัมผัสได้ แล้วมันเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์แรงดึงผิวอย่างไร?

แนวคิดเรื่องแรงดึงดูดของเหลวในหลอดแคปิลลารี

ถ้าแรงยึดเกาะระหว่างของเหลวกับพื้นผิวมีมากกว่าแรงยึดเกาะกับพื้นผิว ผิวของเหลวจะโค้งงอขึ้นด้านบน เมื่อเราใส่ท่อหรือหลอดบางๆ (ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าภาชนะ) ของเหลวในภาชนะจะไหลขึ้นไปตามท่อ เนื่องจากแรงตึงผิวรวมตามผนังท่อทำงานขึ้นด้านบน ความสูงสูงสุดที่ของเหลวสามารถขึ้นไปได้คือเมื่อแรงตึงผิวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวในท่อ ดังนั้น ของเหลวจึงสามารถขึ้นไปได้สูงที่สุดเพียงระดับเดียวเท่านั้น คือเมื่อแรงตึงผิวสมดุลกับน้ำหนักของของเหลวในท่อ

ในทางกลับกัน หากแรงยึดเกาะระหว่างพื้นผิวกับของเหลวมีมากกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างของเหลวกับของเหลว ผิวของเหลวจะโค้งลง เมื่อเราสอดท่อหรือหลอดขนาดเล็ก (ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าภาชนะ) เข้าไป จะทำให้ส่วนล่างของของเหลวยุบตัวลง (ดูภาพด้านล่าง)

ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย และท่อเล็กๆ นั้นเรียกว่าหลอดเส้นเลือดฝอย โปรดจำไว้ว่าแม้แต่หลอดเลือดที่เล็กที่สุดของเราก็อาจเรียกว่าหลอดเส้นเลือดฝอยได้เช่นกัน เพราะการไหลเวียนของเลือดในหลอดเลือดขนาดเล็กก็เกิดขึ้นจากผลของแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยเช่นกัน เช่นเดียวกับปรากฏการณ์การหลอมเหลวของขี้ผึ้งหรือน้ำมันก๊าดที่ไหลขึ้นตามแกน นอกจากนี้ เชื่อกันว่าแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยยังมีบทบาทสำคัญในการลำเลียงน้ำและสารอาหารจากรากไปยังใบผ่านท่อน้ำในพืช หากไม่มีแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย ผิวดินจะแห้งทันทีหลังฝนตก ผลสำคัญอีกประการหนึ่งของแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยคือการกักเก็บน้ำในช่องว่างระหว่างอนุภาคดิน

สมการแรงดึงดูดของเหลวในหลอดแคปิลลารี

เราจะกำหนดความสูงของระดับน้ำที่ไหลขึ้นผ่านท่อแคปิลลารีได้อย่างไร? ของเหลวจะไหลขึ้นในท่อแคปิลลารีซึ่งมีรัศมี r จนถึงความสูง h แรงที่กระทำในการยึดของเหลวไว้ที่ความสูง h คือส่วนประกอบของแรงตึงผิวในทิศทางแนวตั้ง: F cos θ

ส่วนบนของหลอดแคปิลลารีเปิดอยู่ ทำให้มีความดันบรรยากาศกระทำต่อผิวของเหลว ความยาวของผิวสัมผัสระหว่างของเหลวกับท่อคือ 2πr (เส้นรอบวง) ดังนั้น ขนาดของแรงตึงผิวของส่วนประกอบแนวตั้งที่กระทำตามผิวสัมผัสคือ:

F = แรงตึงผิว, γ = แรงตึงผิว, r = รัศมีของหลอดแคปิลลารี, θ = มุมสัมผัส

ถ้าไม่พิจารณาพื้นผิวโค้งที่ยกขึ้น ปริมาตรของของเหลวในท่อจะเป็นดังนี้:

ปริมาตรของของเหลว = พื้นที่ผิวของท่อ x - ความสูงของของเหลว

V = A h

V = (π r ² ) h

ถ้าแรงตึงผิวในแนวตั้งสมดุลกับน้ำหนักของของเหลวในหลอดแคปิลลารี ของเหลวจะไม่สามารถสูงขึ้นได้อีก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ของเหลวจะขึ้นถึงความสูงสูงสุดก็ต่อเมื่อแรงตึงผิวในแนวตั้งสมดุลกับน้ำหนักของของเหลว ซึ่งสูงถึง h แรงตึงผิวในแนวตั้งมีค่าดังนี้:

F = γ 2 π r cos θ

ในขณะที่น้ำหนักของของเหลวในท่อแคปิลลารีคือ:

w = มก.

w = ρ V g

w = ρ (π r ² h) g

เมื่อของเหลวมีความสูงสูงสุด (h) แรงตึงผิวในแนวตั้งจะต้องเท่ากับน้ำหนักของของเหลวในหลอดแคปิลลารี สามารถเขียนทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

นี่คือสมการที่เรากำลังมองหา หากคุณต้องการหาความสูงของคอลัมน์ของเหลว โปรดพิจารณาใช้สมการนี้