Kapilarni pojavi (fizika). Kapilarni pojavi v naravi

Med procesi, ki jih je mogoče pojasniti s pomočjo površinske napetosti in omočenja tekočin, je treba poudariti kapilarne pojave. Fizika je skrivnostna in izredna znanost, brez katere bi bilo življenje na Zemlji nemogoče. Poglejmo najzanimivejši primer te pomembne discipline.

V življenjski praksi so tako zanimive z vidika fizikalnih procesov, kot so kapilarni fenomeni, precej pogoste. Dejstvo je, da smo v vsakdanjem življenju obdani s številnimi telesi, ki zlahka absorbirajo tekočino. Razlog za to je njihova porozna struktura in osnovni zakoni fizike, rezultat pa so kapilarni pojavi.

Ozka cev

Kapilara je zelo ozka cev, v kateri se tekočina obnaša na poseben način. Obstajajo številni primeri takšnih žil v naravi - kapilare krvnega obtoka, porozna telesa, zemlja, rastline itd.

Kapilarni pojav je dviganje ali spuščanje tekočin vzdolž ozkih cevi. Takšne procese opazujemo v naravnih poteh ljudi, rastlin in drugih teles ter v posebnih ozkih steklenih posodah. Na sliki je razvidno, da so bile v komunikacijskih ceveh različnih debelin določene različne ravni vode. Opozoriti je treba, da tanjši plovilo, višji vodostaj.

Ti pojavi so osnova absorpcijske lastnosti brisač, prehrane rastlin, premikanja črnila vzdolž jedra in mnogih drugih procesov.

Kapilarni pojavi v naravi

Zgoraj opisani postopek je izjemno pomemben za vzdrževanje rastlinskega sveta. Zemlja je precej ohlapna, med njenimi delci obstajajo vrzeli, ki so kapilarna mreža. Voda se dviga vzdolž teh kanalov, hrani koreninski sistem rastlin z vlago in vse potrebne snovi.

Za iste kapilare tekočina aktivno izhlapi, zato je potrebno zemljišče orati, kar uniči kanale in zadrži hranila. In obratno, stisnjena tla bodo hitreje izhlapela vlago. To pojasnjuje pomembnost obdelave tal za zadrževanje podzemne vode.

V rastlinah kapilarni sistem zagotavlja dvig vlage od majhnih korenin do najvišjih delov in skozi liste izhlapi v zunanje okolje.

Površinska napetost in močenje

V središču vprašanja obnašanja tekočine v posodi so takšni fizikalni procesi, kot so površinska napetost in močenje. Kapilarne pojave zaradi njih se preučujejo v kombinaciji.

Pod vplivom sile površinske napetosti je vlažilna tekočina v kapilarah nad nivojem, na katerem mora biti v skladu s pravom o komunikacijskih posodah. Nasprotno pa se snov, ki ni mokra, nahaja pod tem nivojem.

Tako se voda v stekleni cevi (vlažilna tekočina) dvigne na višjo višino, tanjša pa je. Nasprotno, živo srebro v stekleni epruveti (tekočina, ki ni mokra) se spusti nižje, tanjša pa je ta zmogljivost. Poleg tega, kot je prikazano na sliki, vlažilna tekočina tvori konkavno obliko meniskusa, nevlaženje pa konveksno.

Vlaženje

To je pojav, ki se pojavi na meji, kjer tekočina pride v stik s trdno snovjo (druga tekočina, plini). Nastane zaradi posebne interakcije molekul na meji njihovega stika.

Polno omakanje pomeni, da se kapljica razprostira po površini trdne snovi, nevlaženje pa se spremeni v kroglo. V praksi se ta ali druga stopnja omočenja pogosteje srečuje kot ekstremne možnosti.

Sila površinske napetosti

Površina padca ima sferično obliko in razlog za to je zakon, ki deluje na tekočino, površinska napetost.

Kapilarni pojavi so posledica dejstva, da se konkavna stran tekočine v cevi nagiba v ravnotežno stanje zaradi sile površinske napetosti. To spremlja dejstvo, da zunanji delci nosijo telesa pod njimi navzgor in snov se dvigne po cevki. Vendar pa tekočina v kapilari ne more prevzeti ravne površine in ta postopek dviganja se nadaljuje do določenega trenutka ravnovesja. Za izračun višine, na kateri se dvigne (pade) vodni stolpec, morate uporabiti formule, ki bodo predstavljene spodaj.

Izračun višine dviga vodnega stolpca

Trenutek zaustavitve dviga vode v ozki cevi pride, ko gravitacija P snovi snovi uravnoteži silo površinske napetosti F. Ta trenutek določa višino dviga tekočine. Kapilarni pojavi so posledica dveh različnih usmerjenih sil:

• gravitacija P povzroča, da se tekočina spusti;
• sila površinske napetosti F premakne vodo navzgor.

Sila površinske napetosti, ki deluje okoli oboda, kjer je tekočina v stiku s stenami cevi, je enaka:

F = σ2πr,

kjer je r polmer cevi.

Teža, ki deluje na tekočino v cevi, je:

P ty = ρπr2hg,

pri čemer je ρ gostota tekočine; h je višina kolone za tekočino v cevi;

Torej bo snov prenehala rasti, pod pogojem, da je P _težak = F, kar pomeni

ρπr ² hg = σ2πr,

torej je višina tekočine v cevi enaka:

h = 2σ / pqr.

Podobno za tekočino, ki se ne omoči:

h je višina spuščanja snovi v cevi. Kot je razvidno iz formul, je višina, na katero se voda dvigne v ozki posodi (ponori), obratno sorazmerna s polmerom posode in gostoto tekočine. To velja za vlažilno tekočino in za mokrenje. V drugih pogojih je treba narediti spremembo glede na obliko meniskusa, ki bo predstavljena v naslednjem poglavju.

Laplaceov tlak

Kot smo že omenili, se tekočina v ozkih ceveh obnaša tako, da daje vtis kršitve zakona o komunikacijskih posodah. To dejstvo vedno spremlja kapilarne pojave. Fizika to razlaga s pomočjo Laplacejevega pritiska, ki je usmerjen navzgor z mokro tekočino. Če v vodo postavimo zelo ozko cev, opazujemo, kako se tekočina potegne na določeno raven h. V skladu s pravom o komuniciranju plovil je bilo treba uskladiti z zunanjim nivojem vode.

Ta razlika je pojasnjena s smerjo Laplaceovega tlaka p _l :

p _l = 2σ / R,

V tem primeru je usmerjen navzgor. Voda se vlije v cev do nivoja, kjer pride do uravnoteženja s hidrostatičnim tlakom p _g vodnega stolpca:

p _g = pqh

in če je p _l = p _g , potem lahko enačbo izenačimo z dvema deloma:

2σ / R = pqh.

Zdaj je višino h enostavno izpeljati kot formulo:

h = 2σ / pqR.

Ko je vlaženje končano, ima menisk, ki tvori konkavno površino vode, obliko poloble, kjer je Ɵ = 0. V tem primeru je polmer krogle R enak notranjemu polmeru kapilarne r. Od tu dobimo:

h = 2σ / pqr.

V primeru nepopolnega omočenja, ko je Ɵ, 0, se polmer krogle lahko izračuna po formuli:

R = r / cosƟ.

Potem bo želena višina, ki ima popravek za kot, enaka:

h = (2σ / pqr) cos .

Iz predstavljenih enačb je razvidno, da je višina h obratno sorazmerna z notranjim polmerom cevi r. Voda doseže svojo najvišjo višino v posodah, ki imajo premer človeških las, ki se imenujejo kapilare. Kot veste, se tekočina za vlaženje potegne navzdol in tekočina, ki se ne omoči, potiska navzdol.

Poskus lahko izvedete tako, da sprejmete komunikacijske posode, kjer je ena od njih široka, druga pa je zelo ozka. Po izlivu v vodo je mogoče opaziti različno stopnjo tekočine, pri varianti z vlažilno snovjo pa je raven v ozki cevi višja, pri nenavadnem pa je nižja.

Pomen kapilarnih pojavov

Brez kapilarnih pojavov je obstoj živih organizmov preprosto nemogoč. Človeško telo prejme kisik in hranila s pomočjo najmanjših posod. Rastlinske korenine - mreža kapilar, ki potegne vlago iz tal, jo pripelje do vrhovih listov.

Enostavno čiščenje v gospodinjstvu je nemogoče brez kapilarnih pojavov, saj na podlagi tega načela tkanina absorbira vodo. Na tej podlagi delujejo brisača, črnilo, stenj v oljni svetilki in različne naprave. Kapilarni pojavi v tehnologiji imajo pomembno vlogo pri sušenju poroznih teles in drugih procesov.

Včasih ti isti pojavi povzročajo neželene posledice, npr. Pore opeke absorbirajo vlago. Da bi se izognili vlažnosti stavb pod vplivom podzemne vode, morate temelj zaščititi z vodoodpornimi materiali - bitumnom, krovnim filcem ali strešnim papirjem.

Drenažna oblačila v dežju, na primer, hlače do kolen od hoje po lužeh so tudi posledica kapilarnih pojavov. Obstajajo številni primeri tega naravnega pojava okoli nas.

Poskusite z rožami

Primeri kapilarnih pojavov lahko najdemo v naravi, zlasti ko gre za rastline. Njihovi kovčki imajo v notranjosti veliko majhnih plovil. Poskus lahko opravite z obarvanjem cvetov v kateri koli svetli barvi zaradi kapilarnih pojavov.

Vzemite svetlo obarvano vodo in belo cvet (ali pekinško listje zelje, steblo zelene) in ga vlijte v kozarec s to tekočino. Po nekaj časa lahko na listih pekinškega zelja opazimo, kako se barva premika navzgor. Barva rastline se bo postopoma spreminjala glede na barvo, v katero je postavljena. To je posledica gibanja snovi v stebla v skladu z zakoni, ki smo jih obravnavali v tem članku.