Kapillaritási jellemzők és példa a vízben



az hajszálcsövesség A folyadékok tulajdonságai lehetővé teszik számukra a cső alakú lyukakon vagy porózus felületeken való mozgást a gravitációs erő ellen. Ehhez egyensúlyt kell biztosítani a folyékony molekulákhoz kapcsolódó két erőknek: a kohézió és a tapadás; ezeknek a kétnek fizikai visszaverődésnek nevezzük, melyet felszíni feszültségnek neveznek.

A folyadéknak képesnek kell lennie arra, hogy nedvesítse a cső belső falait vagy a mozgó anyag anyagát. Ez akkor fordul elő, ha az adhéziós erő (a kapilláris cső folyadékfala) nagyobb, mint az intermolekuláris kohéziós erő. Következésképpen a folyékony molekulák erősebb kölcsönhatásokat hoznak létre az anyag atomjaival (üveg, papír, stb.), Mint ezek között.

A kapillaritás klasszikus példáját a tulajdonság összehasonlítása mutatja két nagyon különböző folyadékkal: víz és higany.

A felső kép azt mutatja, hogy a víz a cső falain keresztül emelkedik, ami azt jelenti, hogy nagyobb tapadási erői vannak; míg a higanyval ellentétes, mivel kohéziós, fémes kötőereje megakadályozza az üveg nedvesítését.

Emiatt a víz egy konkáv meniszkusz, a higany pedig konvex meniscus (kupola alakú). Azt is meg kell jegyezni, hogy minél kisebb a cső sugara vagy az a szakasz, amelyen keresztül a folyadék mozog, annál nagyobb a magasság vagy a megtett távolság (hasonlítsa össze a vízoszlopok magasságát mindkét cső esetében).

index

  • 1 A kapillaritás jellemzői
    • 1.1 - A folyadék felülete
    • 1.2 - Magasság
    • 1.3. Felületi feszültség
    • 1.4. A kapilláris vagy a pórus rádioja, ahol a folyadék emelkedik
    • 1.5 - érintkezési szög (θ)
  • 2 A víz kapillaritása
    • 2.1 A növényeken
  • 3 Referenciák

A kapillaritás jellemzői

-A folyadék felszíne

A folyadék felszíne, azaz víz, kapillárisban homorú; azaz a meniszkusz konkáv. Ez azért fordul elő, mert a vízmolekulákra kifejtett erők eredményei a cső falánál erre irányulnak.

Minden meniszkuszban van egy érintkezési szög (θ), amely az a szöge, amely a kapilláris cső falát képezi a folyadék felületére érintkező vonal érintésével..

Tapadás és kohéziós erők

Ha a folyadéknak a kapilláris falhoz való tapadásereje az intermolekuláris kohéziós erő felett van, akkor a szög θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.

Ha egy csepp vizet helyezünk a tiszta üveg felületére, a víz az üvegre terjed, úgyhogy θ = 0 és cos θ = 1.

Ha az intermolekuláris kohéziós erő a kapilláris folyadék-fal tapadási szilárdsága felett van, például a higanyban, akkor a meniscus konvex lesz, és a angle szög értéke> 90º lesz; a higany nem nedvesíti a kapilláris falat, és így a belső falán leereszkedik.

Amikor egy tiszta üveg felületén egy csepp higany kerül, a csepp megtartja alakját és a szöget θ = 140º.

-magasság

A víz a kapilláris csövön keresztül emelkedik, hogy elérje a (h) magasságot, amelyben a vízoszlop súlya kompenzálja az intermolekuláris kohéziós erő függőleges összetevőjét..

Ahogy egyre több víz emelkedik, jön egy olyan pont, ahol a gravitáció megállítja annak emelkedését, még akkor is, ha a felületi feszültség az Ön javára dolgozik.

Amikor ez megtörténik, a molekulák nem tudják tovább "felmászni" a belső falakat, és minden fizikai erőt kiegyenlítenek. Egyrészt olyan erők vannak, amelyek elősegítik a víz felemelkedését, másrészt a saját súlyodat nyomják le.

Jurin törvénye

Ez matematikailag írható a következőképpen:

2 π rΥcosθ = ρgπr2h

Ahol az egyenlet bal oldala a felületi feszültségtől függ, amelynek nagysága a kohéziós vagy intermolekuláris erőkhez is kapcsolódik; A Cosθ jelenti az érintkezési szöget, és r azt a lyukat, amelyen a folyadék emelkedik.

Az egyenlet jobb oldalán a h magasság, a g gravitációs erő és a folyadék sűrűsége van; ez lenne a víz.

Tisztítás, akkor h van

h = (2Υcosθ / ρgr)

Ezt a formulát Jurin-törvénynek nevezzük, amely meghatározza a folyadékoszlop által elért magasságot a kapilláris csőben, amikor a folyadékoszlop súlya kiegyensúlyozott a kapillaritással való felemelkedési erővel.

-Felületi feszültség

A víz egy dipoláris molekula, az oxigénatom elektronegativitása és molekuláris geometriája miatt. Ez azt eredményezi, hogy a vízmolekula azon része, ahol az oxigén található, negatívan töltődik, míg a 2 hidrogénatomot tartalmazó vízmolekula része pozitív töltésű..

A folyadékban lévő molekulák ennek köszönhetően több hidrogénkötés révén kölcsönhatásba lépnek egymással. Azonban a vízben lévő vízmolekulák: a levegő (felület), a folyadékszinusz molekulái nettó vonzódásnak vannak kitéve, amelyet nem kompenzál a levegő molekulák gyenge vonzereje..

Ezért az interfész vízmolekuláit olyan vonzó erőnek vetjük alá, amely hajlamos eltávolítani a vízmolekulákat az interfészről; azaz a hidrogénhidak képződnek a fenékben lévő molekulákkal együtt. Így a felületi feszültség a víz felszínének csökkentésére törekszik.

Kapcsolat h

Ha megnézzük a Jurin-törvény egyenletét, akkor azt találjuk, hogy h közvetlenül arányos a Υ-val; ezért minél nagyobb a folyadék felületi feszültsége, annál nagyobb a magasság, amely az anyag kapillárisán vagy pórusán keresztül emelkedhet.

Várható tehát, hogy két, különböző felületi feszültségű A és B folyadék esetében a legnagyobb felületi feszültségű magasabb szintre emelkedik.

Ebből a szempontból megállapítható, hogy a magas felületi feszültség a legfontosabb jellemzője, amely meghatározza a folyadék kapilláris tulajdonságait.

-A kapilláris vagy a pórus sugara, ahol a folyadék emelkedik

A Jurin törvény megfigyelése azt jelzi, hogy a kapillárisban vagy pórusban lévő folyadék által elért magasság fordítottan arányos az azonos sugárral..

Ezért minél kisebb a sugár, annál nagyobb a magasság, amelyet a folyadékoszlop kapilláris hatással ér el. Ez közvetlenül látható a képen, ahol a vizet hasonlítják össze a higanyval.

A 0,05 mm-es sugarú üvegcsőben a kapilláris vízoszlop 30 cm-es magasságot ér el. 1 μm sugarú kapilláris csövekben, 1,5 x 10 szívónyomással3 A hPa (ami 1,5 atm-nak felel meg) a vízoszlop magasságának számítását jelenti 14 és 15 m között.

Ez nagyon hasonlít azokra a szalmákra, amelyek önmagukban többször forognak. A folyadék szívásakor nyomáskülönbség keletkezik, amely a folyadék szájához jut.

A kapilláris által elért oszlop maximális magasságértéke elméleti, mivel a kapillárisok sugara nem csökkenthető egy bizonyos határértéken.

Poiseuille törvénye

Ez megállapítja, hogy a valódi folyadék áramlását a következő kifejezés adja:

Q = (πr4/ 8ηl) ΔP

Ahol Q a folyadékáram, η a viszkozitása, l a cső hossza és ΔP a nyomáskülönbség.

A kapilláris sugarának csökkentésekor a kapilláris által elért folyadékoszlop magassága határozatlan időre megnő. Poiseuille azonban rámutat arra, hogy a sugár csökkentése szintén csökkenti a folyadék áramlását a kapillárison keresztül.

Ezen túlmenően a viszkozitás, amely egy olyan ellenállás mérése, amely ellenáll a valódi folyadék áramlásának, tovább csökkenti a folyadék áramlását..

-Érintési szög (θ)

Minél magasabb a cosθ értéke, annál nagyobb a vízoszlop magassága kapillaritással, amint azt Jurin törvénye jelzi.

Ha a θ kicsi és nulla (0) közeledik, akkor a cosθ = 1, így a h érték maximális lesz. Éppen ellenkezőleg, ha θ 90 °, cosθ = 0 és h = 0 értéke.

Ha a θ értéke nagyobb, mint 90º, ami a konvex meniszkusz esetében fordul elő, a folyadék nem emelkedik kapillaritással, és hajlamos leereszkedni (mint ahogyan a higany esetében történik)..

Vízkapillaritás

A víz felületi feszültsége 72,75 N / m, viszonylag magas a következő folyadékok felületi feszültségének értékeihez képest:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etil-alkohol: 22,75 N / m

-Hexán: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Ezért a víz kivételes felületi feszültséggel rendelkezik, ami kedvez a kapilláris jelenség kialakulásának, ami szükséges a víz és a tápanyagok abszorpciójához..

A növényeken

A kapillaritás fontos mechanizmusa annak, hogy a növények xilémje felemelkedjen, de önmagában nem elegendő ahhoz, hogy a gyümölcslé eljusson a fák leveleihez..

A transzpiráció vagy az elpárologtatás fontos mechanizmusa a növények xilémjével való szaporodásnak. A levelek elpárologtatással vizet veszítenek, ami csökkenti a vízmolekulák mennyiségét, ami a kapilláris csövekben jelen lévő vízmolekulák vonzódását okozza (xylem).

A vízmolekulák nem működnek egymástól függetlenül, hanem kölcsönhatásba lépnek a Van der Waals erőkkel, ami miatt a növények kapilláris csövei által a levelek felé emelkednek..

Ezeken a mechanizmusokon kívül meg kell jegyezni, hogy a növények ozmózissal abszorbeálják a talajból a vizet, és a gyökéren keletkező pozitív nyomás a víz felemelkedésének megkezdését a növény kapillárisain keresztül hajtja végre..

referenciák

  1. García Franco A. (2010). Felszíni jelenségek. Lap forrása: sc.ehu.es
  2. Felszíni jelenségek: felületi feszültség és kapillaritás. [PDF]. Lap forrása: ugr.es
  3. Wikipedia. (2018). Kapilláris jelenségek. Lap forrása: en.wikipedia.org
  4. Risvhan T. (s.f.) Kapillaritás a növényekben. A lap eredeti címe: academia.edu
  5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. december 22.). Kapilláris akció: meghatározás és példák. A lap eredeti címe: thinkco.com
  6. Ellen Ellis M. (2018). A víz kapilláris hatása: meghatározás és példák. Tanulmány. Visszaváltva: study.com
  7. ScienceStruck személyzet. (2017. július 16.). A kapilláris akció fogalmát és jelentését magyarázó példák. Szerkesztve: sciencestruck.com