Zjawiska kapilarne (fizyka). Zjawiska kapilarne w przyrodzie

Wśród procesów, które można wyjaśnić za pomocą napięcia powierzchniowego i zwilżania cieczy, warto podkreślić zjawiska kapilarne. Fizyka jest tajemniczą i niezwykłą nauką, bez której życie na Ziemi byłoby niemożliwe. Spójrzmy na najbardziej żywy przykład tej ważnej dyscypliny.

W praktyce życiowej takie interesujące z punktu widzenia procesów fizycznych, jak zjawiska kapilarne, są dość powszechne. Faktem jest, że w życiu codziennym otacza nas wiele ciał, które łatwo absorbują ciecz. Powodem tego jest ich porowata struktura i elementarne prawa fizyki, czego wynikiem są zjawiska kapilarne.

Wąska rurka

Kapilara to bardzo wąska rura, w której płyn zachowuje się w specjalny sposób. Istnieje wiele przykładów takich naczyń w przyrodzie - naczyń włosowatych układu krążenia, ciał porowatych, gleby, roślin itp.

Zjawisko kapilarne to podnoszenie lub obniżanie cieczy wzdłuż wąskich rur. Takie procesy obserwuje się w naturalnych kanałach ludzi, roślin i innych ciał, a także w specjalnych wąskich szklanych naczyniach. Na zdjęciu widać, że w rurach komunikacyjnych o różnej grubości ustalono różne poziomy wody. Należy zauważyć, że im cieńsze naczynie, tym wyższy poziom wody.

Zjawiska te leżą u podstaw absorbujących właściwości ręczników, żywienia roślin, ruchu tuszu wzdłuż rdzenia i wielu innych procesów.

Zjawiska kapilarne w przyrodzie

Opisany powyżej proces jest niezwykle ważny dla zachowania życia roślin. Gleba jest dość luźna, między jej cząstkami występują szczeliny, które są siecią kapilarną. Woda podnosi się wzdłuż tych kanałów, zasilając system korzeniowy roślin wilgocią i wszystkimi niezbędnymi substancjami.

W tych samych kapilarach ciecz aktywnie paruje, dlatego konieczne jest oranie ziemi, która zniszczy kanały i zatrzyma składniki odżywcze. I odwrotnie, wciśnięty grunt szybciej odparuje wilgoć. To wyjaśnia, jak ważne jest uprawianie ziemi w celu zatrzymania wód gruntowych.

W roślinach system kapilarny zapewnia wzrost wilgoci z małych korzeni do najwyższych części, a przez liście odparowuje do środowiska zewnętrznego.

Napięcie powierzchniowe i zwilżanie

Sednem kwestii zachowania płynów w naczyniach są takie procesy fizyczne, jak napięcie powierzchniowe i zwilżanie. Zjawiska kapilarne dzięki nim są badane w połączeniu.

Pod działaniem siły napięcia powierzchniowego, płyn zwilżający w naczyniach włosowatych znajduje się powyżej poziomu, przy którym powinien być zgodny z prawem naczyń połączonych. I odwrotnie, substancja nie zwilżająca znajduje się poniżej tego poziomu.

Tak więc woda w szklanej rurce (ciecz zwilżająca) wznosi się na większą wysokość, tym cieńsze jest naczynie. Wręcz przeciwnie, rtęć w szklanej probówce (ciecz nie zwilżająca) jest obniżana, tym mniejsza jest jej pojemność. Ponadto, jak wskazano na rysunku, płyn zwilżający tworzy wklęsły kształt menisku, a niezwilżający - wypukły.

Zwilżanie

Jest to zjawisko występujące na granicy, gdzie ciecz styka się ze ciałem stałym (inna ciecz, gazy). Powstaje dzięki specjalnej interakcji cząsteczek na granicy ich kontaktu.

Pełne zwilżanie oznacza, że ​​kropla rozprzestrzenia się na powierzchni ciała stałego, a niezwilżanie przekształca ją w kulę. W praktyce ten lub inny stopień zwilżania jest częściej spotykany niż skrajne opcje.

Siły napięcia powierzchniowego

Powierzchnia kropli ma sferyczny kształt, a powodem tego jest prawo działające na ciecz, napięcie powierzchniowe.

Zjawiska kapilarne wynikają z faktu, że wklęsła strona cieczy w rurze ma tendencję do prostowania się do stanu płaskiego z powodu sił napięcia powierzchniowego. Towarzyszy temu fakt, że zewnętrzne cząsteczki niosą ze sobą ciała w górę, a substancja unosi się w górę rury. Jednak ciecz w kapilarze nie może przybrać kształtu płaskiej powierzchni, a ten proces podnoszenia trwa do pewnego momentu równowagi. Aby obliczyć wysokość, przy której słup wody podnosi się (spada), należy użyć wzorów, które zostaną przedstawione poniżej.

Obliczanie wysokości wzniesienia słupa wody

Moment zatrzymania wzrostu wody w wąskiej rurze dochodzi, gdy grawitacja P substancji substancji równoważy siłę napięcia powierzchniowego F. Ta chwila określa wysokość wznoszenia cieczy. Zjawiska kapilarne wynikają z dwóch różnych sił skierowanych:

• _pasma P grawitacji powodują upuszczanie płynu;
• siła napięcia powierzchniowego F przesuwa wodę w górę.

Siła napięcia powierzchniowego działająca na obwodzie, gdzie ciecz styka się ze ściankami rury, jest równa:

F = σ2πr,

gdzie r jest promieniem rury.

Grawitacja działająca na płyn w rurze to:

P ty = ρπr2hg,

gdzie ρ jest gęstością cieczy; h jest wysokością kolumny cieczy w rurze;

Tak więc substancja przestanie rosnąć, pod warunkiem, że P jest _ciężkie = F, co oznacza, że

ρπr ² hg = σ2πr,

stąd wysokość płynu w rurze jest równa:

h = 2σ / pqr.

Podobnie w przypadku płynu nie zwilżającego:

h jest wysokością obniżenia substancji w rurze. Jak można zauważyć na podstawie wzorów, wysokość, do której woda podnosi się w wąskim naczyniu (zlewy), jest odwrotnie proporcjonalna do promienia zbiornika i gęstości cieczy. Dotyczy to płynu zwilżającego i niezwilżającego. W innych warunkach konieczne jest dokonanie poprawki zgodnie z kształtem menisku, co zostanie przedstawione w następnym rozdziale.

Nacisk Laplace'a

Jak już wspomniano, płyn w wąskich rurach zachowuje się w taki sposób, że sprawia wrażenie naruszenia prawa naczyń połączonych. Fakt ten zawsze towarzyszy zjawiskom kapilarnym. Fizyka wyjaśnia to za pomocą ciśnienia Laplace'a, który jest skierowany do góry za pomocą płynu zwilżającego. Wprowadzając bardzo wąską rurkę do wody, obserwujemy, jak ciecz jest zasysana do pewnego poziomu h. Zgodnie z prawem naczyń połączonych, musiał on być zrównoważony z zewnętrznym poziomem wody.

Ta rozbieżność jest wyjaśniona przez kierunek ciśnienia Laplace'a _l :

p _l = 2σ / R,

W tym przypadku jest skierowany w górę. Woda jest wciągana do rury do poziomu, w którym zachodzi równowaga z ciśnieniem hydrostatycznym p _g słupa wody:

p _g = pqh

a jeśli p _l = p _g , to możesz zrównać dwie części równania:

2σ / R = pqh.

Teraz wysokość h jest łatwa do wyprowadzenia jako formuła:

h = 2σ / pqR.

Po zakończeniu zwilżania menisk, który tworzy wklęsłą powierzchnię wody, ma kształt półkuli, gdzie Ɵ = 0. W tym przypadku promień kuli R będzie równy promieniowi wewnętrznemu kapilary r. Stąd otrzymujemy:

h = 2σ / pqr.

W przypadku niepełnego zwilżania, gdy Ɵ ≠ 0, promień kuli można obliczyć według wzoru:

R = r / cosƟ.

Następnie pożądana wysokość z korektą kąta będzie równa:

h = (2σ / pqr) cos Ɵ .

Z przedstawionych równań można zauważyć, że wysokość h jest odwrotnie proporcjonalna do wewnętrznego promienia rury r. Woda osiąga maksymalną wysokość w naczyniach mających średnicę ludzkiego włosa, które nazywane są kapilarami. Jak wiadomo, płyn zwilżający jest wyciągany, a płyn nie zwilżający jest wypychany w dół.

Eksperyment można przeprowadzić za pomocą naczyń połączonych, gdzie jeden z nich jest szeroki, a drugi bardzo wąski. Po wlaniu do wody można zauważyć inny poziom cieczy, aw wariancie z substancją zwilżającą poziom w wąskiej rurze jest wyższy, a w przypadku niezwilżalnego jest niższy.

Znaczenie zjawisk kapilarnych

Bez zjawisk kapilarnych istnienie organizmów żywych jest po prostu niemożliwe. To przez najmniejsze naczynia ludzkie ciało otrzymuje tlen i składniki odżywcze. Korzenie roślin - sieć kapilar, która wyciąga wilgoć z ziemi, podnosząc ją do górnych liści.

Proste domowe czyszczenie nie jest możliwe bez zjawisk kapilarnych, ponieważ na tej zasadzie tkanina pochłania wodę. Na tej podstawie działa ręcznik, atrament, knot w lampie naftowej i różne urządzenia. Zjawiska kapilarne w technologii odgrywają ważną rolę w suszeniu ciał porowatych i innych procesów.

Czasami te same zjawiska powodują niepożądane konsekwencje, na przykład pory cegieł pochłaniają wilgoć. Aby uniknąć zawilgocenia budynków pod wpływem wód gruntowych, należy zabezpieczyć fundament za pomocą materiałów hydroizolacyjnych - bitumu, papy dachowej lub papieru dachowego.

Zużycie ubrań w deszczu, na przykład, spodni sięgających aż do kolan, od chodzenia po kałużach, jest również spowodowane zjawiskami kapilarnymi. Istnieje wiele przykładów tego naturalnego zjawiska wokół nas.

Eksperymentuj z kwiatami

Przykłady zjawisk kapilarnych można znaleźć w przyrodzie, szczególnie jeśli chodzi o rośliny. Ich pnie mają wiele małych naczyń w środku. Możesz przeprowadzić eksperyment z barwieniem kwiatów w dowolnym jasnym kolorze w wyniku zjawiska kapilarnego.

Musisz wziąć jaskrawo zabarwioną wodę i biały kwiat (lub pekińską kapustę, łodygę selera) i włożyć ją do szklanki z tym płynem. Po pewnym czasie na liściach pekińskiej kapusty widać, jak farba porusza się w górę. Kolor rośliny stopniowo zmieni się odpowiednio do farby, w której jest umieszczony. Jest to spowodowane ruchem substancji w górę pędów zgodnie z prawami, które zostały przez nas rozważone w tym artykule.