Kapilární jevy (fyzika). Kapilární jevy v přírodě
Mezi procesy, které lze vysvětlit pomocí povrchového napětí a zvlhčování kapalin, stojí za to zvýraznit kapilární jevy. Fyzika je tajemná a mimořádná věda, bez níž by život na Zemi nebyl možný. Podívejme se na nejživější příklad této důležité disciplíny.
V praktické praxi jsou takové zajímavé z hlediska fyzikálních procesů, jako jsou kapilární jevy, zcela běžné. Faktem je, že v každodenním životě jsme obklopeni mnoha těly, které snadno absorbují tekutinu. Důvodem je jejich porézní struktura a elementární zákony fyziky a výsledkem jsou kapilární jevy.
Úzká trubice
Kapilára je velmi úzká trubice, ve které se tekutina chová zvláštním způsobem. Existuje mnoho příkladů takových plavidel v přírodě - kapiláry oběhového systému, porézní těla, půda, rostliny atd.
Kapilárním jevem je zvedání nebo spouštění kapalin podél úzkých trubek. Takové procesy jsou pozorovány v přírodních kanálech lidí, rostlin a jiných tělech, stejně jako ve speciálních nádobách s úzkým sklem. Obrázek ukazuje, že v komunikačních trubkách různých tloušťek byly stanoveny různé úrovně vody. Je třeba poznamenat, že čím je tenčí nádoba, tím vyšší je hladina vody.
Tyto jevy jsou základem absorpčních vlastností utěrek, výživy rostlin, pohybu inkoustu podél jádra a mnoha dalších procesů.
Kapilární jevy v přírodě
Proces popsaný výše je mimořádně důležitý pro zachování životnosti rostlin. Půda je poměrně volná, mezi jejími částicemi, které jsou kapilární sítí, jsou mezery. Na těchto kanálech stoupá voda, krmení kořenového systému rostlin vlhkostí a veškerými potřebnými látkami.
Pro tytéž kapiláry se kapalina aktivně vypařuje, takže je nutné ortat půdu, která zničí kanály a zadrží živiny. A naopak, lisovaná zem bude rychleji odpařovat vlhkost. To vysvětluje důležitost zpracování půdy pro zadržování podzemních vod.
V rostlinách kapilární systém zvyšuje vlhkost od malých kořenů až po nejvyšší části a přes listy se odpařuje do vnějšího prostředí.
Povrchové napětí a smáčení
Jádrem otázky chování tekutiny v nádobách jsou takové fyzikální procesy, jako je povrchové napětí a smáčení. Kapilární jevy, které jsou kvůli nim studovány, jsou studovány v kombinaci.
Pod působením síly povrchového napětí je smáčecí kapalina v kapilárách nad úrovní, v níž by měla být v souladu se zákonem o komunikačních nádobách. Naopak, látka bez smáčení se nachází pod touto úrovní.
Takže voda ve skleněné trubici (smáčecí kapalina) stoupá do větší výšky, tím je tenčí nádoba. Naopak, rtuť ve skleněné zkumavce (bez zvlhčující kapaliny) se sníží o nižší, čím je tato kapacita tenčí. Kromě toho, jak je naznačeno na obrázku, smáčecí tekutina vytváří konkávní tvar menisku a neumývající tekutina dopravuje.
Navlhčení
Jedná se o fenomén, který se vyskytuje na hranici, kde kapalina přichází do kontaktu s pevnou látkou (další kapalinou, plyny). Vzniká díky zvláštní interakci molekul na hranici jejich kontaktu.
Úplné navlhčení znamená, že se kapka rozkládá nad povrchem pevné látky a nezmáčkne ji do koule. V praxi se tento nebo ten stupeň zvlhčování častěji vyskytuje než extrémní možnosti.
Síla povrchového napětí
Povrch kapky má sférický tvar a důvodem je zákon, který působí na kapalinu, povrchové napětí.
Kapilární jevy jsou způsobeny skutečností, že konkávní strana kapaliny v trubce má tendenci se vyrovnat do plochého stavu v důsledku sil povrchového napětí. To je doprovázeno skutečností, že vnější částice s sebou nesou těla pod nimi nahoru a látka se zvedá. Kapilární kapalina však nemůže mít tvar plochého povrchu a tento zdvihací proces pokračuje až do určitého okamžiku rovnováhy. Chcete-li vypočítat výšku, ve které vodní sloupec stoupá (spadne), musíte použít vzorce, které budou uvedeny níže.
Výpočet výšky vzestupu vodního sloupce
Okamžik zastavování vzestupu vody v úzkém potrubí přichází tehdy, když gravitační hmotnost látky substance vyrovná sílu povrchového napětí F. Tento okamžik určuje výšku vzestupu kapaliny. Kapilární jevy jsou způsobeny dvěma odlišnými směry:
- Pruhy gravitace P způsobují pokles kapaliny;
- síla F na povrchové napětí se pohybuje vodou.
Síla povrchového napětí působící kolem obvodu, kde je kapalina v kontaktu se stěnami trubky, se rovná:
F = σ2πr,
kde r je poloměr trubice.
Tíha působící na tekutinu v trubici je:
P ty = ρπr2hg,
kde ρ je hustota kapaliny; h je výška sloupce kapaliny v trubce;
Takže látka přestane stoupat, pokud P je těžké = F, což znamená, že
ρpr 2 hg = σ2πr,
proto je výška tekutiny v trubce rovna:
h = 2 / pqr.
Podobně pro neabsorbující kapalinu:
h je výška spouštění látky v trubce. Jak je zřejmé z vzorců, výška, do které voda stoupá v úzké nádobě (dřezy), je nepřímo úměrná poloměru nádrže a hustotě kapaliny. To se týká smáčecí kapaliny a nemrznutí. Za jiných podmínek je nutné provést změnu podle tvaru menisku, který bude uveden v následující kapitole.
Laplaceův tlak
Jak již bylo uvedeno, tekutina v úzkých trubkách se chová tak, že vytváří dojem porušení zákona komunikujících plavidel. Tato skutečnost vždy doprovází kapilární jevy. Fyzika vysvětluje to pomocí Laplaceova tlaku, který směřuje směrem vzhůru se smáčecí kapalinou. Uvedením velmi úzké trubice do vody pozorujeme, jak se kapalina přitahuje na určitou úroveň h. Podle zákona komunikujících plavidel muselo být vyrovnáno s vnější hladinou vody.
Tento rozdíl je vysvětlen směrem tlaku Laplace p l :
p 1 = 2σ / R,
V tomto případě je směrována směrem vzhůru. Voda se vtahuje do trubky na úroveň, kde nastane ekvilibrace s hydrostatickým tlakem p g vodního sloupce:
p g = pqh
a pokud p l = p g , pak můžete rovnat dvě části rovnice:
2σ / R = pqh.
Nyní je výška h snadno odvozena jako vzorec:
h = 2σ / pqR.
Po dokončení zvlhčování má meniskus, který tvoří konkávní povrch vody, tvar hemisféry, kde ∂ = 0. V tomto případě se poloměr koule R rovná vnitřnímu poloměru kapiláry r. Odtud získáme:
h = 2 / pqr.
A v případě neúplného zvlhčování, když ∂ ≠ 0, lze poloměr koule vypočítat podle vzorce:
R = r / cos.
Poté bude požadovaná výška s korekcí úhlu rovna:
h = (2σ / pqr) cos Þ .
Z předložených rovnic lze vidět, že výška h je nepřímo úměrná vnitřnímu poloměru trubky r. Voda dosahuje maximální výšky v nádobách, které mají průměr lidských vlasů, které se nazývají kapiláry. Jak víte, zvlhčovací kapalina se natáhne a tekutina bez navlhčení se zatlačí dolů.
Experiment můžete uskutečnit tím, že sdělíte plavidla, kde je jeden z nich široký a druhý velmi úzký. Po nalijení do vody je možné zaznamenat rozdílnou hladinu kapaliny a ve variantě se smáčecí látkou je hladina v úzkém potrubí vyšší a s nízkotlakou je nižší.
Význam kapilárních jevů
Bez kapilárních jevů je existence živých organismů prostě nemožná. Je to prostřednictvím nejmenších nádob, že lidské tělo přijímá kyslík a živiny. Kořeny rostlin - síť kapilár, která vytáhne vlhkost ze země a přivede ji na horní listy.
Jednoduché čištění domácnosti není možné bez kapilárních jevů, protože na tomto principu tkanina absorbuje vodu. Na tomto základě pracuje ručník, inkoust, knot v olejové lampě a řada zařízení. Kapilární jevy v technologii hrají důležitou roli při sušení porézních těles a jiných procesů.
Někdy tyto stejné jevy mají nežádoucí důsledky, například póry cihly absorbují vlhkost. Aby se zabránilo vlhkosti budov pod vlivem podzemní vody, je nutné ochranu základů chránit pomocí vodotěsných materiálů - asfalt, střešní plsti nebo střešního papíru.
Naplnění oblečení v dešti, například kalhoty až po kolena z procházejících louží, je také kvůli kapilárním jevům. Existuje mnoho příkladů tohoto přírodního jevu kolem nás.
Experimentujte s květinami
Příklady kapilárních jevů lze nalézt v přírodě, zejména pokud jde o rostliny. Jejich kmeny mají uvnitř mnoho malých nádob. Můžete experimentovat s barvením květů v jakékoliv jasné barvě v důsledku kapilárních jevů.
Je třeba vzít pestrobarevnou vodu a bílou květinu (nebo pekingský list zelí, celer stonku) a dát ji do sklenice s touto kapalinou. Po nějaké době na listí z Pekingu je zelí vidět, jak se barva pohybuje nahoru. Barva rostliny se postupně mění podle barvy, ve které je umístěna. To je způsobeno pohybem látky do stonků podle zákonů, které jsme v tomto článku zvažovali.