Kapillaritetskarakteristikker og eksempel i vannet



den capillarity Det er en egenskap av væsker som gjør at de kan bevege seg gjennom rørformede hull eller porøse overflater, selv mot tyngdekraften. For dette må det være en balanse og koordinering av to krefter relatert til væskemolekylene: kohesjon og adhesjon; å ha disse to en fysisk refleksjon kalt overflatespenning.

Væsken må kunne våte rørets indre vegger eller porene i materialet gjennom hvilken den beveger seg. Dette skjer når adhesjonskraften (væskeväggen av kapillærrøret) er større enn den intermolekylære kohesjonskraften. Følgelig skaper de flytende molekylene sterkere samspill med atomene av materialet (glass, papir, etc.) enn mellom dem.

Det klassiske eksempelet på kapillaritet er illustrert i sammenligningen av denne egenskapen for to svært forskjellige væsker: vann og kvikksølv.

Det øvre bildet viser at vannet stiger gjennom rørets vegger, noe som betyr at det har høyere vedheftskrefter; mens motsatt skjer med kvikksølv, fordi dens sammenhengende, metalliske bindekrefter forhindrer det i å væske glasset.

Av denne grunn danner vann en konkav menisk, og kvikksølv er en konveks meniskus (kuppelformet). Det skal også bemerkes at jo mindre radius av røret eller delen som væsken beveger seg, jo større er høyden eller avstanden som er reist (sammenligner vannkolonnens høyder for begge rørene).

index

  • 1 Karakteristika for kapillaritet
    • 1.1 - Overflaten av væsken
    • 1.2 -Høyde
    • 1.3-overflatespenning
    • 1.4 -Radio av kapillæren eller porene der væsken stiger
    • 1.5 - Kontaktvinkel (θ)
  • 2 Kapillaritet av vann
    • 2.1 På planter
  • 3 referanser

Karakteristika av kapillaritet

-Overflaten av væsken

Væskens overflate, for å si vann, i en kapillær er konkav; det vil si at menisken er konkav. Denne situasjonen oppstår fordi resultatet av de krefter som utøves på vannmolekyler nær rørets vegg er rettet mot dette.

I alle menisker er det en kontaktvinkel (θ), som er vinkelen som danner kapillærrørets vegg med en linje som er tangent til væskens overflate ved kontaktpunktet.

Adhesjon og kohesjonskrefter

Hvis adhesjonskraften til væsken til kapillærveggen hersker over den intermolekylære kohesjonskraften, er vinkelen θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.

Når en dråpe vann legges på overflaten av et rent glass, spreder vann på glasset slik at θ = 0 og cos θ = 1.

Hvis den intermolekylære kohesjonen kraften hersker over adhesjonsstyrken væske-kapillære vegg, for eksempel kvikksølv, er menisken konveks og vinkelen θ vil ha en verdi> 90; kvikksølv våtner ikke kapillærveggen og kommer derfor ned gjennom sin indre vegg.

Når en dråpe kvikksølv er plassert på overflaten av et rent glass, holder dråpen sin form og vinkelen θ = 140º.

-høyde

Vann stiger gjennom kapillærrøret for å nå en høyde (h), hvor vekten av vannkolonnen kompenserer for den vertikale komponenten av den intermolekylære kohesjonskraften.

Etter hvert som mer vann stiger, kommer det et punkt der tyngdekraften vil stoppe sin økning, selv med overflatespenning som arbeider i din favør.

Når dette skjer, kan molekylene ikke fortsette å "klatre" opp i indre vegger, og alle fysiske krefter utjevnes. På den ene siden har du de krefter som fremmer oppstigningen av vann, og på den annen side din egen vekt presser den ned.

Juryens lov

Dette kan skrives matematisk som følger:

2 π rΥcosθ = ρgπr2h

Hvor venstre side av ligningen avhenger av overflatespenningen, hvis størrelse er også relatert til kohesjons- eller intermolekylære krefter; Cosθ representerer kontaktvinkelen, og r er radiusen til hullet gjennom hvilken væsken stiger.

Og på høyre side av ligningen har vi høyden h, tyngdekraften g, og væskens tetthet; det ville være vannet.

Clearing så h du har

h = (2Ncosθ / ρgr)

Denne formuleringen er kjent som Jurin loven som definerer høyde som væskesøylen i roret når vekten av væskesøylen med stigende kraft er balansert av kapillaritet.

-Overflatespenning

Vann er et dipolært molekyl, på grunn av oksygenatomens elektronegativitet og dens molekylære geometri. Dette fører til at delen av vannmolekylet hvor oksygen er plassert for å bli negativt ladet, mens delen av vannmolekylet, som inneholder de 2 hydrogenatomer, er positivt ladet.

Molekylene i væsken samhandler takket være dette gjennom flere hydrogenbindinger, og holder dem sammen. Imidlertid vannmolekyler som er i vannet: blir luft (overflate) utsatt for en netto tiltrekning av molekylene i væsken, ikke kompenseres ved svak tiltrekning med luftmolekyler.

Derfor blir vannmolekylene i grensesnittet utsatt for en attraktiv kraft som har en tendens til å fjerne vannmolekyler fra grensesnittet; det vil si at hydrogenbroene som dannes med molekylene i bunnen, drar de som er på overflaten. Overflatespenningen søker således å redusere overflaten av vannet: luftgrensesnittet.

Forhold med h

Hvis du ser på ligningen til Jurins lov, vil du oppdage at h er direkte proporsjonal med Υ; derfor jo større overflatespenningen av væsken er, desto større er høyden som kan stige gjennom en kapillær eller pore av et materiale.

Dermed kan det forventes at for to væsker, A og B, med forskjellige overflatespenninger, stiger den med den høyeste overflatespenningen til en høyere høyde.

Det kan konkluderes fra dette punkt at en høy overflatespenning er den viktigste egenskapen som definerer kapillæregenskapen til en væske.

-Radi av kapillær eller pore hvor væsken stiger

Observasjonen av jurins lov angir at høyden nådd av en væske i en kapillær eller pore er omvendt proporsjonal med radiusen til det samme.

Derfor, jo mindre radius, desto større høyde vil væskesøylen nå etter kapillarvirkning. Dette kan ses direkte i bildet der vann sammenlignes med kvikksølv.

I et glassrør med en radius på 0,05 mm radius, vil vannsøylen ved kapillaritet nå en høyde på 30 cm. I kapillærrør med en radius på 1 μm med et sugetrykk på 1,5 x 103 hPa (som er lik 1,5 atm) tilsvarer en beregning av vannkolonnens høyde fra 14 til 15 m.

Dette ligner veldig på hva som skjer med de stråene som kretser i seg selv flere ganger. Ved å suge væsken, opprettes en trykkforskjell som fører til at væsken stiger til munnen.

Maksimal høydeverdi av kolonnen som nås av kapillaritet er teoretisk, siden kapillærens radius ikke kan reduseres over en viss grense.

Law of Poiseuille

Dette fastslår at strømmen av en ekte væske er gitt ved følgende uttrykk:

Q = (πr4/ 8ηl) ΔP

Hvor Q er væskestrømmen, er η dens viskositet, l rørets lengde og ΔP trykkforskjellen.

Når du reduserer radiusen til en kapillær, bør høyden på væskekolonnen nådd av kapillaritet øke på ubestemt tid. Imidlertid poiseuille påpeker at reduksjon av radius også reduserer væskestrømmen gjennom den kapillæren.

I tillegg vil viskositeten, som er et mål på motstanden som motsetter strømmen av en ekte væske, ytterligere redusere flyt av væsken.

-Kontaktflate (θ)

Jo høyere verdien av cosθ, desto høyere høyde av vannkolonnen ved kapillaritet, som angitt av Jurins lov.

Hvis θ er liten og nærmer seg null (0), er cosθ = 1, slik at verdien h vil være maksimal. Tvert imot, hvis θ er lik 90º, cosθ = 0 og verdien av h = 0.

Når verdien av θ er større enn 90 º, som er tilfelle av den konvekse menisken, stiger væsken ikke av kapillaritet, og tendensen er å synke (som skjer med kvikksølv).

Vannkapillaritet

Vannet har en overflatespenningsverdi på 72,75 N / m, relativt høy i forhold til verdiene for overflatespenning av følgende væsker:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Derfor har vann en eksepsjonell overflatespenning, som favoriserer utviklingen av kapillærfenomenet som er nødvendig for absorpsjon av vann og næringsstoffer av planter.

På plantene

Kapillariteten er en viktig mekanisme for veksten av sapet ved plantens xylem, men det er ikke nok av seg selv å få sapen til å nå bladene på trærne.

Transpirasjonen eller fordampningen er en viktig mekanisme i oppstigningen av sapet ved plantens xylem. Bladene mister vann ved fordampning, noe som gir en nedgang i mengden vannmolekyler, noe som forårsaker en tiltrekning av vannmolekylene tilstede i kapillærrørene (xylem).

Vannmolekyler ikke opptre uavhengig av hverandre, men de samvirker med Van der Waals-krefter, noe som gjør at mengden bundet sammen av kapillærene av planter til bladene.

I tillegg til disse mekanismer, bør det bemerkes at plantene absorberer vann fra jord ved osmose, og et positivt trykk som dannes ved roten, driver begynnelsen av veksten av vann gjennom kapillarrør anlegg.

referanser

  1. García Franco A. (2010). Overfladiske fenomener. Hentet fra: sc.ehu.es
  2. Overflatefenomen: overflatespenning og kapillaritet. [PDF]. Hentet fra: ugr.es
  3. Wikipedia. (2018). Kapillaritet. Hentet fra: en.wikipedia.org
  4. Risvhan T. (s.f.) Kapillaritet i plantene. Hentet fra: academia.edu
  5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. desember 2018). Kapillærhandling: Definisjon og eksempler. Hentet fra: thoughtco.com
  6. Ellen Ellis M. (2018). Kapillær handling av vann: Definisjon og eksempler. Study. Hentet fra: study.com
  7. ScienceStruck Staff. (16. juli 2017). Eksempler som forklarer konseptet og meningen med kapillæraksjon. Hentet fra: sciencestruck.com