Zjawiska kapilarne

Zjawiska kapilarne w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania Zjawisko kapilarne

Zjawiska kapilarne – szereg zjawisk związanych z zachowaniem par i cieczy, a pojawiających się dla wielu obiektów o małym wymiarze charakterystycznym (np. rurki kapilarne, porowate powierzchnie) i silnie zależne od tego wymiaru, przy kącie zwilżania powyżej 90 stopni. W zależności od kąta zwilżania zjawisko może się pojawiać lub zanikać, promień rurki kapilarnej ma wpływ na wysokość podsiąkania.

Spis treści

Opis fizyczny | edytuj kod

W stanie równowagi cieczy w rurce ciężar słupa cieczy jest równoważony przez siły napięcia powierzchniowego.

Siła ciężaru słupa wody w kapilarze o przekroju kołowym:

Q = m g = V ρ g = π r 2 h ρ g {\displaystyle Q=mg=V\rho g=\pi r^{2}h\rho g}

Siła napięcia powierzchniowego wody tuż przy ściance:

F = 2 π ⋅ r σ {\displaystyle F=2\pi \cdot r\sigma }

Powierzchnia wody tuż przy ściance tworzy ze ścianką kąt θ. Pionowa składowa tej siły równoważy siłę ciężaru cieczy, z czego wynika wysokość podciągania kapilarnego:

h = 2 σ cos ⁡ θ ρ g r , {\displaystyle h={\frac {2\sigma \cos {\theta }}{\rho gr}},}

gdzie

Q – ciężar słupa wody, h – wysokość słupa wody, r – promień kapilary, ρ – gęstość wody, V – objętość zajmowana przez wodę, m – masa wody, g – przyspieszenie ziemskie. F – siła napięcia powierzchniowego, σ – napięcie powierzchniowe. θ – kąt zwilżania

Dla wody | edytuj kod

Dla czystej wody kontaktującej się ze szklaną rurką i powietrzem:

σ = 0,0728 J/m² przy 20 °C θ = 20° (0,35 rad) ρ = 1000 kg/m³ g = 9,8 m/s² h ≈ 1 , 4 × 10 − 5 m 2 r = 14 mm 2 r . {\displaystyle h\approx {\frac {1,4\times 10^{-5}\,\mathrm {m} ^{2}}{r}}={\frac {14\,{\text{mm}}^{2}}{r}}.}

W rurze o promieniu 1 m woda podniesie się o 0,014 mm; w rurce o promieniu 1 mm – o 14 mm; natomiast w rurce o promieniu 0,1 mm – o 140 mm.

Przykłady | edytuj kod

  • Zmiana wysokości słupa cieczy – w zależności od kąta zwilżania podnoszenie lub obniżanie:
menisk wody w rurce szklanej jest wklęsły (woda dobrze zwilża szkło) i słup cieczy jest podnoszony na wysokość zależną od jej średnicy, menisk rtęci w rurce szklanej jest wypukły (rtęć nie zwilża szkła) i jest obniżany w porównaniu z powierzchnią cieczy swobodnej,
  • Kondensacja i histereza kapilarna – zmiana ciśnienia przy którym para cieczy ulegnie kondensacji lub ciecz odparowuje.
  • Przepływ krwi przez naczynia włosowate.
  • Przepływ wody w naczyniach roślin – zjawiska kapilarne umożliwiają rośnięcie drzew na wysokość większą niż 10m (bez zjawiska kapilarnego słup wody w naczyniach ulegałby przerwaniu).
  • Nasiąkanie tkanin, bibuły, papieru, pieluszek itp. – ciecz utrzymywana jest pomiędzy gęsto umieszczonymi cienkimi włóknami za pomocą sił kapilarnych.

Kapilarność w hydrogeologii | edytuj kod

Pory gruntu tworzą naczynia kapilarne, w których woda podnosi się ponad zwierciadło wody podziemnej. Wysokość podnoszenia zależy bezpośrednio od frakcji gruntu (mniejsze ziarna tworzą kanaliki o mniejszej średnicy). Rozróżniamy kapilarność czynną i bierną.

  • Kapilarność czynna to wysokość, na jaką woda podnosi się ponad poziom zwierciadła wody podziemnej przy podsiąkaniu od dołu
  • Kapilarność bierna to wysokość, na jakiej woda utrzymuje się ponad poziomem zwierciadła wody podziemnej przy jego obniżeniu. Wówczas powstaje woda zawieszona w strefie aeracji – jest to tzw. „woda kapilarna zawieszona”.
Kontrola autorytatywna (zjawisko fizyczne):
Na podstawie artykułu: "Zjawiska kapilarne" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy