Készítette: B. Horváthová
A szilárd és a folyadék közötti határfelületen két helyzet van. A folyadék nedvesíti a tartály falát, megfigyeljük a felszíni réteg görbületét a tartály falainál felfelé. A folyadék nem nedvesíti a tartály falát, lefelé figyeljük a felszíni réteg görbületét.
A folyadék szabad felületének görbülete az edény falain keskeny csövekben, kapillárisokban és buborékokban azt eredményezi, hogy a keletkező felületi erők nem nulla erők, amelyek merőlegesek a folyadék felületére.
Ez az erő felidézi kapilláris nyomás . Ha a folyadék felülete gömb alakú, a kapilláris nyomást a következők adják meg: pk = 2 / R, hol van a felületi feszültség és R gömb alakú felület sugara.
A kapilláris nyomás fordítva függ a gömb alakú felület sugarától. R sugarú vékony gömb alakú szappanbuborék esetében a buborék belsejében lévő kapilláris nyomás egyenlő pk = 4 / R, mert a buboréknak két felülete van.
Amikor keskeny üvegcsövet merítünk egy nagy edénybe vízzel, megfigyelhetjük, hogy a kapillárisban a víz egy bizonyos h magasságra emelkedik a nagy edény szabad vízszintje fölött. Ezt a szintemelkedést nevezzük kapilláris magasság . Így viselkedik minden folyadék, amely nedvesíti a tartály falát.
Ha hasonló higany kísérletet hajtunk végre, akkor a kapilláris szabad higanyszintje alacsonyabb, mint a széles edény szabad higanyszintje. Azt mondják, hogy a kapillárisban a higany szabad szintjének ilyen csökkenése van kapilláris depresszió . A kapilláris depresszió olyan folyadékokkal figyelhető meg, amelyek nem nedvesítik a tartály falát.
A molekuláris fizika szempontjából a kapillaritást a folyadék felületi feszültséggel történő kapilláris emelkedésének példáján magyarázhatjuk meg. Feltételezzük, hogy a folyadék tökéletesen megnedvesíti a tartály falát a kapillárisban R sugárral, és olyan üreges felületet képez, amely R sugarú félgömb alakú. A kapilláris folyadék üreges felülete erővel hat a folyadékra. a folyadéktól kifelé, a hidrosztatikus erő ellen. A szabad felület h magasságban stabilizálódott, ahol az említett erők egyensúlyban vannak.
A következők vonatkoznak a kapilláris teljes belső kerületén ható erő nagyságára: Ft = .2 R
A következő a hidrosztatikus erő nagyságára vonatkozik: Fh = p.S = h.q.g. R 2
Az erőket egyenlőségbe helyezzük és kifejezzük h:
.2 R = h.q.g. R 2 /: R
h = 2 / (q.g.R)
A kapilláris szabad szintjének növekedése a külső edény szabad felületi szintjéhez képest emelkedéssel fordítottan arányos a kapilláris sugarával. Egy adott kapilláris sugár esetén a h magasság annál nagyobb, minél nagyobb a folyadék felületi feszültsége.
Ugyanezek a megfontolások vonatkoznak a kapilláris depresszióra is.
A kapilláris emelkedés megfigyelhető a gyertya kanócán, egy nedves falon. A természetben is találkozunk vele, például a növény kapillárisain keresztül emelkedik a víz.
A víz a mélységből a talaj felszíni rétegeibe emelkedik és elpárolog. A talajból a víz túlzott párolgásának megakadályozása érdekében a kapillárisok lebontják a felszíni réteget. Például hengerléssel kapillárisok képződnek, amelyek lehetővé teszik a víz felszínre emelkedését.
1.) Mindenképpen a kapilláris nyomás a 2 cm átmérőjű szappanbuborék belsejében. A levegővel érintkező vízben lévő szappanoldat felületi feszültsége 40 mN.m -1 .
Pk =?; R = 1 cm = 0,01 m; = 40 mN.m -1 = 0,04 N.m -1;
Az oldatban a kapilláris nyomás összefüggését használjuk a szappanbuborék belsejében: pk = 4/R
Numerikus helyettesítés után: pk = (4,0,04)/0,01 Pa = 16 Pa
A szappanbuborék belsejében a kapilláris nyomás 16 Pa.
2.) Határozza meg a víz tömegét, amely egy 0,5 mm belső átmérőjű kapillárisban 20 ° C hőmérsékleten megjelenik. A víz felületi feszültsége 73 mN. m -1, a gravitációs gyorsulás 9,81 m.s -2 .
m =? d = 0,5 mm; R = 0,25 mm = 0,00025 m; g = 9,81 m.s-2; = 0,073 N.m -1
A víz tömege a következő összefüggés alapján számítható ki: m = .V
Ismerjük a víz sűrűségét 1000kg/m 3 -nél, de még mindig ki kell számolnunk a térfogatot.
A víz térfogata megegyezik a henger térfogatával az adott folyadékoszlop magasságával: V = S.h = R 2 .h
Még mindig ki kell számolnunk azt a magasságot, amelyre a kapillárisban lévő víz emelkedik: h = 2/(q.g.R) = (2.0.073)/(1000.9.81.0.00025) m = 0.0595 m
Helyettesítsük a térfogat relációjába: V =, 0, 00025 2, 0, 0595 m 3 = 1,1677, 10 -8 m 3
Csak a súly relációjában helyettesítjük: m = 1000,1,1677,10 -8 kg = 1,17,10 -5 kg
A kapillárisból kilépő víz tömege 1,17. 10 -5 kg.
1) Határozza meg, mikor jelentkezik a kapilláris emelkedés és a kapilláris depresszió?
2) Milyen erők vannak egyensúlyban, amikor a kapilláris folyadékoszlopa stabilizálódik?
3) A kapilláris belső átmérője 0,2 mm. Számítsa ki, hogy milyen magas 870 kg/m 3 sűrűségű benzol, 29,1 mN.m -1 felületi feszültség emelkedik a kapillárisban .