Kapillaarisuusominaisuudet ja esimerkki vedestä



kapillaarisuuden Se on nesteiden ominaisuus, joka mahdollistaa niiden liikkumisen putkimaisia ​​reikiä tai huokoisia pintoja vasten painovoiman vastaisesti. Tätä varten on oltava tasapaino ja koordinointi kahden nestemäisiin molekyyleihin liittyvän voiman suhteen: yhteenkuuluvuus ja tartunta; ottaa nämä kaksi fyysistä heijastusta, jota kutsutaan pintajännitykseksi.

Nesteen on kyettävä kostuttamaan putken sisäseinät tai materiaalin huokoset, joiden läpi se liikkuu. Tämä tapahtuu, kun tarttumisvoima (kapillaariputken neste-seinä) on suurempi kuin molekyylien välinen yhteenkuuluvuusvoima. Niinpä nestemäiset molekyylit luovat vahvempia vuorovaikutuksia materiaalin atomien kanssa (lasi, paperi jne.) Kuin niiden välillä.

Klassista esimerkkiä kapillaarisuudesta havainnollistetaan tämän ominaisuuden vertailussa kahta hyvin erilaista nestettä: vettä ja elohopeaa.

Ylempi kuva osoittaa, että vesi nousee putken seinämien läpi, mikä tarkoittaa, että sillä on korkeammat tarttumisvoimat; kun taas elohopealla on päinvastainen, koska sen yhtenäiset metalliset sidosvoimat estävät sen kostuttamasta lasia.

Tästä syystä vesi muodostaa koveran meniskin ja elohopean kupera meniskin (kupolin muotoinen). On myös huomattava, että mitä pienempi putken tai sen osan säde, jonka läpi neste liikkuu, sitä suurempi on korkeus tai kulunut matka (vertaa molempien putkien vesipylväiden korkeuksia).

indeksi

  • 1 Kapillaarisuuden ominaisuudet
    • 1.1 - Nesteen pinta
    • 1.2 -Korkeus
    • 1.3 -Pintajännitys
    • 1.4 - Kapillaarin tai huokosten patio, jossa neste nousee
    • 1.5 - kosketuskulma (θ)
  • 2 Veden kapillaarisuus
    • 2.1 Kasveilla
  • 3 Viitteet

Kapillaarisuuden ominaisuudet

-Nesteen pinta

Nesteen pinta, eli vettä, kapillaarissa on kovera; eli meniskin on kovera. Tämä tilanne ilmenee, koska putken seinämän lähellä oleviin vesimolekyyleihin kohdistuvien voimien tulos on suunnattu tähän.

Kaikissa meniskeissä on kosketuskulma (θ), joka on kulma, joka muodostaa kapillaariputken seinämän, jonka kosketuspiste koskettaa kosketuspistettä.

Liimaus ja yhteenkuuluvuusvoimat

Jos nesteen tarttumisvoima kapillaariseinään vallitsee molekyylien välisen yhteenkuuluvuusvoiman yli, kulma on θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.

Kun pisara vettä asetetaan puhtaan lasin pinnalle, vesi leviää lasille, niin että θ = 0 ja cos θ = 1.

Jos molekyylien välinen yhteenkuuluvuusvoima vallitsee kapillaarin nesteen seinämän tarttumislujuuteen nähden, esimerkiksi elohopeassa, meniskin on kupera ja kulman angle arvo on> 90º; elohopea ei kastele kapillaariseinää ja laskeutuu siten sisäseinänsä läpi.

Kun puhtaan lasin pinnalle asetetaan pisara elohopeaa, pisara säilyttää muodonsa ja kulman θ = 140º.

-korkeus

Vesi nousee kapillaariputken läpi korkeuden (h) saavuttamiseksi, jossa vesipylvään paino kompensoi molekyylien välisen yhteenkuuluvuusvoiman pystysuuntaisen osan.

Kun enemmän vettä nousee, tulee kohta, jossa painovoima pysäyttää sen nousun, vaikka pinnan kireys toimii teidän edessänne.

Kun näin tapahtuu, molekyylit eivät voi jatkaa "kiivetä" sisäseinien päälle, ja kaikki fyysiset voimat tasaantuvat. Toisaalta sinulla on voimat, jotka edistävät veden nousua, ja toisaalta oma paino painaa sitä alas.

Jurinin laki

Tämä voidaan kirjoittaa matemaattisesti seuraavasti:

2 π rΥcosθ = ρgπr2h

Kun yhtälön vasen puoli riippuu pintajännityksestä, jonka suuruus liittyy myös yhteenkuuluvuuteen tai molekyylien välisiin voimiin; Cosθ edustaa kosketuskulmaa ja r sen reiän säteen, jonka läpi neste nousee.

Ja yhtälön oikealla puolella on korkeus h, painovoima g ja nesteen tiheys; se olisi vesi.

Selvitys sitten h sinulla on

h = (2Υcosθ / ρgr)

Tämä formulaatio tunnetaan nimellä Jurinin laki, joka määrittelee nestekolonnin saavuttaman korkeuden kapillaariputkessa, kun nestepylvään paino on tasapainotettu kapillaarisuuden nousujoukolla..

-Pintajännitys

Vesi on dipolaarinen molekyyli, joka johtuu happiatomin ja sen molekyyli- geometriasta. Tämä aiheuttaa sen vesimolekyylin osan, jossa happi sijaitsee, negatiivisesti varautuneeksi, kun taas vesimolekyylin osa, joka sisältää 2 vetyatomia, on positiivisesti varautunut.

Nesteen sisällä olevat molekyylit vuorovaikutuksessa tämän ansiosta useiden vety-sidosten avulla, pitämällä ne yhdessä. Veden molekyylit, jotka ovat rajapinnan vedessä: ilmassa (pinnassa), ovat kuitenkin nestemäisen sinuksen molekyylien vetovoiman kohteena, jota ei kompensoi ilmamolekyylien heikko vetovoima..

Tämän vuoksi rajapinnan vesimolekyylit altistetaan houkuttelevalle voimalle, joka pyrkii poistamaan vesimolekyylejä rajapinnasta; toisin sanoen vedyn sillat, jotka on muodostettu alemman veteen sisältyvillä molekyyleillä, ovat pinnalla olevia. Näin ollen pintajännitys pyrkii vähentämään veden pintaa: ilmarajapinta.

Suhde h

Jos tarkastellaan Jurinin lain yhtälöä, huomaat, että h on suoraan verrannollinen Υ: een; siksi, mitä suurempi nesteen pintajännitys on, sitä suurempi on korkeus, joka voi nousta materiaalin kapillaarin tai huokosten läpi.

Näin ollen voidaan odottaa, että kahdella nesteenä A ja B, joilla on erilaiset pintajännitykset, korkeimman pinnan jännityksen nousu nousee korkeampaan korkeuteen.

Tästä johtuen voidaan päätellä, että suuri pintajännitys on tärkein ominaisuus, joka määrittelee nesteen kapillaariominaisuudet.

-Kapillaarin säde tai huokos, jossa neste nousee

Jurinin lain noudattaminen osoittaa, että kapillaarissa tai huokosessa olevan nesteen saavuttama korkeus on kääntäen verrannollinen saman säteen säteeseen..

Siksi mitä pienempi säde, sitä suurempi on korkeus, jonka nestepylväs saavuttaa kapillaaritoiminnalla. Tämä näkyy suoraan kuvassa, jossa vettä verrataan elohopeaan.

Lasiputkessa, jonka säde on 0,05 mm, vesipylväs kapillaarisuudella saavuttaa 30 cm: n korkeuden. Kapillaariputkissa, joiden säde on 1 μm ja joiden imupaine on 1,5 x 103 hPa (joka on yhtä suuri kuin 1,5 atm) vastaa vesipatsaan korkeuden laskemista 14-15 m.

Tämä on hyvin samankaltainen kuin se, joka tapahtuu sellaisten olkien kanssa, jotka pyörivät itsessään useita kertoja. Imemällä neste syntyy paine-ero, joka saa nesteen nousemaan suuhun.

Kapillaarisuuden saavuttaman kolonnin maksimikorkeusarvo on teoreettinen, koska kapillaarien sädettä ei voida pienentää tietyn rajan yli.

Poiseuillen laki

Tämä osoittaa, että todellisen nesteen virtaus annetaan seuraavalla ilmaisulla:

Q = (πr4/ 8ηl) AP

Kun Q on nestevirtaus, η on sen viskositeetti, l putken pituus ja ΔP paine-ero.

Kapillaarin säteen pienentäessä kapillaarisuuden saavuttaman nestepylvään korkeuden tulisi kasvaa loputtomiin. Poiseuille huomauttaa kuitenkin, että säteen pienentäminen myös vähentää nesteen virtausta tämän kapillaarin läpi.

Lisäksi viskositeetti, joka on todellisen nesteen virtausta vastustavan resistanssin mitta, vähentäisi edelleen nesteen virtausta..

-Yhteyskulma (θ)

Mitä korkeampi cosθ-arvo on, sitä korkeampi on vesipylvään korkeus kapillaarisuuden mukaan, kuten Jurinin laki osoittaa.

Jos θ on pieni ja lähestyy nollaa (0), cosθ on = 1, joten arvo h on suurin. Päinvastoin, jos θ on yhtä suuri kuin 90º, cosθ = 0 ja h = 0 arvo.

Kun arvon θ arvo on suurempi kuin 90º, joka on kuperan meniskin tapauksessa, neste ei nouse kapillaarisuuden myötä ja sen taipumus laskeutua (kuten elohopean kanssa tapahtuu).

Veden kapillaarisuus

Veden pintajännitysarvo on 72,75 N / m, suhteellisen korkea verrattuna seuraavien nesteiden pintajännityksen arvoihin:

-Asetoni: 22,75 N / m

-Etyylialkoholi: 22,75 N / m

-Heksaani: 18,43 N / m

-Metanoli: 22,61 N / m.

Siksi vedellä on poikkeuksellinen pintajännitys, joka suosii sellaisen kapillaari-ilmiön kehittymistä, joka on välttämätön veden ja ravinteiden imeytymiselle kasveilla.

Kasveilla

Kapillaarisuus on tärkeä mekanismi, jolla kasvit kasvavat kasvien xylemillä, mutta se ei riitä, että se pääsee puiden lehtiin..

Hengitys tai haihtuminen on tärkeä mekanismi kasvien nousun aikana kasvien xylemillä. Lehdet menettävät vettä haihduttamalla, jolloin vesimolekyylien määrä vähenee, mikä aiheuttaa kapillaariputkissa läsnä olevien vesimolekyylien vetovoiman.

Vesimolekyylit eivät toimi toisistaan ​​riippumattomasti, vaan Van der Waals -joukkojen vuorovaikutuksessa, mikä saa heidät nousemaan kasvien kapillaariputkien välityksellä kohti lehtiä.

Näiden mekanismien lisäksi on huomattava, että kasvit imevät vettä maaperästä osmoosin avulla ja että juuressa syntyvä positiivinen paine ajaa veden nousun alkamista laitoksen kapillaarien läpi.

viittaukset

  1. García Franco A. (2010). Pinnalliset ilmiöt. Haettu osoitteesta: sc.ehu.es
  2. Pintailmiöt: pintajännitys ja kapillaarisuus. [PDF]. Haettu osoitteesta ugr.es
  3. Wikipedia. (2018). Kapillaarisesti. Haettu osoitteesta: en.wikipedia.org
  4. Risvhan T. (s.f.) Kapillaarisuus kasveissa. Haettu osoitteesta academia.edu
  5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. joulukuuta 2018). Kapillaaritoiminta: määritelmä ja esimerkit. Haettu osoitteesta thinkco.com
  6. Ellen Ellis M. (2018). Veden kapillaaritoiminta: määritelmä ja esimerkit. Tutkimus. Haettu osoitteesta study.com
  7. ScienceStruck-henkilöstö. (16. heinäkuuta 2017). Esimerkkejä kapillaaritoiminnan käsitteestä ja merkityksestä. Haettu osoitteesta: sciencestruck.com