Plik kapilarność Jest to właściwość cieczy, która umożliwia im przemieszczanie się przez rurowe otwory lub porowate powierzchnie nawet wbrew sile grawitacji. W tym celu musi istnieć równowaga i koordynacja dwóch sił związanych z cząsteczkami cieczy: kohezji i adhezji; te dwa mają fizyczne odbicie zwane napięciem powierzchniowym.
Ciecz musi być w stanie zwilżyć wewnętrzne ścianki rurki lub pory materiału, przez który się przemieszcza. Dzieje się tak, gdy siła adhezji (ściana rurki kapilarnej cieczy) jest większa niż siła spójności międzycząsteczkowej. W konsekwencji cząsteczki cieczy oddziałują silniej z atomami materiału (szkło, papier itp.) Niż ze sobą..
Klasyczny przykład kapilarności ilustruje porównanie tej właściwości dla dwóch bardzo różnych cieczy: wody i rtęci..
Na powyższym obrazku można zobaczyć, że woda podnosi się po ściankach rury, co oznacza, że ma ona większe siły adhezji; podczas gdy w przypadku rtęci jest odwrotnie, ponieważ jej siły kohezji wiązania metalicznego uniemożliwiają jej zwilżanie szkła.
Z tego powodu woda tworzy wklęsły menisk, a rtęć - wypukły (w kształcie kopuły) menisk. Należy również zauważyć, że im mniejszy promień rury lub sekcji, przez którą przepływa ciecz, tym większa wysokość lub przebyta odległość (porównaj wysokości słupów wody dla obu rur).
Indeks artykułów
Powierzchnia cieczy, to znaczy wody, w kapilarze jest wklęsła; to znaczy menisk jest wklęsły. Taka sytuacja ma miejsce, ponieważ wypadkowa sił wywieranych na cząsteczki wody w pobliżu ściany rurki jest skierowana na to.
W każdym menisku występuje kąt zwilżania (θ), czyli kąt utworzony przez ściankę rurki kapilarnej z linią styczną do powierzchni cieczy w punkcie styku.
Jeżeli siła adhezji cieczy do ściany kapilary przeważa nad międzycząsteczkową siłą kohezji, to kąt wynosi θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.
Kiedy kropla wody jest umieszczona na powierzchni czystej szklanki, woda rozlewa się po szkle, więc θ = 0 i cos θ = 1.
Jeśli międzycząsteczkowa siła kohezji przeważa nad siłą adhezji ściany kapilarnej ciecz, na przykład w rtęci, menisk będzie wypukły, a kąt θ będzie miał wartość> 90º; rtęć nie zwilża ściany kapilarnej i dlatego spływa po jej wewnętrznej ścianie.
Gdy kropla rtęci jest umieszczona na powierzchni czystej szyby, zachowuje ona swój kształt i kąt θ = 140º.
Woda unosi się przez rurkę kapilarną aż do osiągnięcia wysokości (h), na której ciężar słupa wody kompensuje składową pionową międzycząsteczkowej siły spójności.
Wraz ze wzrostem ilości wody nadejdzie punkt, w którym grawitacja zatrzyma swój wzrost, nawet przy napięciu powierzchniowym działającym na twoją korzyść..
Kiedy tak się dzieje, cząsteczki nie mogą dalej „wspinać się” po ścianach wewnętrznych i wszystkie siły fizyczne wyrównują się. Z jednej strony istnieją siły, które sprzyjają podnoszeniu się wody, az drugiej spychają ją w dół własny ciężar.
Można to zapisać matematycznie w następujący sposób:
2 π rϒcosθ = ρgπrdwagodz
Gdzie lewa strona równania zależy od napięcia powierzchniowego, którego wielkość jest również związana z kohezją lub siłami międzycząsteczkowymi; Cosθ reprezentuje kąt zwilżania, ar promień otworu, przez który unosi się ciecz.
Po prawej stronie równania mamy wysokość h, siłę grawitacji g i gęstość cieczy; jaka byłaby woda.
Rozwiązując więc h mamy
h = (2ϒcosθ / ρgr)
To sformułowanie jest znane jako prawo Jurina, które określa wysokość osiągniętą przez kolumnę cieczy w rurce kapilarnej, gdy ciężar kolumny cieczy jest równoważony siłą wznoszenia przez działanie kapilarne..
Woda jest cząsteczką dipolową ze względu na elektroujemność atomu tlenu i jego geometrię molekularną. Powoduje to, że część cząsteczki wody, w której znajduje się tlen, staje się naładowana ujemnie, podczas gdy część cząsteczki wody zawierająca 2 atomy wodoru jest naładowana dodatnio..
Cząsteczki w cieczy oddziałują dzięki temu za pośrednictwem wielu wiązań wodorowych, utrzymując je razem. Jednak cząsteczki wody, które znajdują się na granicy faz woda: powietrze (powierzchnia), są poddawane przyciąganiu netto przez cząsteczki zatoki cieczy, które nie są kompensowane przez słabe przyciąganie z cząsteczkami powietrza..
Dlatego cząsteczki wody na granicy faz są poddawane działaniu siły przyciągania, która ma tendencję do usuwania cząsteczek wody z powierzchni; to znaczy, wiązania wodorowe utworzone z cząsteczkami na dnie przeciągają te, które są na powierzchni. Zatem napięcie powierzchniowe ma na celu zmniejszenie powierzchni rozdziału faz woda: powietrze..
Jeśli spojrzymy na równanie prawa Jurina, okaże się, że h jest wprost proporcjonalne do ϒ; dlatego im wyższe napięcie powierzchniowe cieczy, tym większa wysokość, która może wznieść się przez kapilarę lub pory materiału.
W ten sposób można się spodziewać, że dla dwóch cieczy, A i B, o różnych napięciach powierzchniowych, ta o większym napięciu powierzchniowym podniesie się na większą wysokość..
W odniesieniu do tego punktu można wywnioskować, że wysokie napięcie powierzchniowe jest najważniejszą cechą określającą kapilarną właściwość cieczy..
Obserwacja prawa Jurina wskazuje, że wysokość, jaką osiąga ciecz w kapilarze lub porach, jest odwrotnie proporcjonalna do promienia tego samego.
Dlatego im mniejszy promień, tym większa wysokość, na jaką kolumna cieczy osiąga kapilarność. Można to zobaczyć bezpośrednio na zdjęciu, na którym porównuje się wodę z rtęcią.
W szklanej rurce o promieniu 0,05 mm słup wody na kapilarność osiągnie wysokość 30 cm. W rurkach kapilarnych o promieniu 1 µm przy ciśnieniu ssania 1,5 x 103 hPa (co jest równe 1,5 atm) odpowiada obliczeniu wysokości słupa wody od 14 do 15 m.
Jest to bardzo podobne do tego, co dzieje się z tymi słomkami, które włączają się kilka razy. Popijając ciecz, powstaje różnica ciśnień, która powoduje, że ciecz unosi się do ust.
Maksymalna wysokość kolumny osiągnięta przez kapilarność jest teoretyczna, ponieważ promień kapilar nie może zostać zmniejszony poza pewną granicę..
To ustala, że przepływ prawdziwej cieczy jest określony przez następujące wyrażenie:
Q = (πr4/ 8ηl) ΔP
Gdzie Q to przepływ cieczy, η to jej lepkość, l to długość rurki, a ΔP to różnica ciśnień.
Wraz ze zmniejszaniem się promienia kapilary wysokość słupa cieczy osiągnięta przez działanie kapilarne powinna rosnąć w nieskończoność. Jednak Poiseuille zwraca uwagę, że wraz ze zmniejszaniem się promienia zmniejsza się również przepływ cieczy przez tę kapilarę..
Ponadto lepkość, która jest miarą oporu dla przepływu rzeczywistej cieczy, dodatkowo zmniejszyłaby przepływ cieczy..
Im większa wartość cosθ, tym większa wysokość słupa wody przez kapilarność, jak wskazuje prawo Jurina.
Jeśli θ jest małe i zbliża się do zera (0), cosθ wynosi 1, więc wartość h będzie maksymalna. Wręcz przeciwnie, jeśli θ jest równe 90º, cosθ = 0, a wartość h = 0.
Gdy wartość θ jest większa niż 90º, co ma miejsce w przypadku menisku wypukłego, ciecz nie unosi się kapilarnie i ma tendencję do opadania (jak to ma miejsce w przypadku rtęci).
Woda ma wartość napięcia powierzchniowego 72,75 N / m, stosunkowo wysoką w porównaniu z wartościami napięcia powierzchniowego następujących cieczy:
-Aceton: 22,75 N / m
-Alkohol etylowy: 22,75 N / m
-Heksan: 18,43 N / m
-Metanol: 22,61 N / m.
W związku z tym woda posiada wyjątkowe napięcie powierzchniowe, co sprzyja rozwojowi zjawiska kapilarności tak niezbędnego do wchłaniania wody i składników pokarmowych przez rośliny..
Kapilarność jest ważnym mechanizmem wznoszenia się soku przez ksylem roślin, ale sama w sobie jest niewystarczająca, aby doprowadzić sok do liści drzew..
Pocenie się lub parowanie jest ważnym mechanizmem wznoszenia się soku przez ksylem roślin. Liście tracą wodę poprzez parowanie, powodując zmniejszenie ilości cząsteczek wody, co powoduje przyciąganie cząsteczek wody obecnych w naczyniach włosowatych (ksylem).
Cząsteczki wody nie działają niezależnie od siebie, ale oddziałują na siebie siłami Van der Waalsa, co powoduje, że unoszą się połączone razem przez naczynia włosowate roślin w kierunku liści.
Oprócz tych mechanizmów należy zauważyć, że rośliny pobierają wodę z gleby na drodze osmozy, a dodatnie ciśnienie generowane w korzeniu powoduje początek wzrostu wody przez rurki kapilarne rośliny..
Jeszcze bez komentarzy