Kapillaritetskarakteristika og eksempel i vandet



den kapillaritet Det er en egenskab af væsker, der gør det muligt for dem at bevæge sig gennem rørformede huller eller porøse overflader selv imod tyngdekraften. Til dette skal der være balance og koordinering af to kræfter relateret til de flydende molekyler: sammenhæng og vedhæftning; at have disse to en fysisk refleksion kaldes overfladespænding.

Væsken skal kunne væde rørets indre vægge eller porerne i materialet, gennem hvilken det bevæger sig. Dette sker, når adhæsionsstyrken (væskevæggen af ​​kapillarrøret) er større end den intermolekylære kohæsionsstyrke. Følgelig skaber de flydende molekyler stærkere interaktioner med materialets atomer (glas, papir osv.) End mellem dem.

Det klassiske eksempel på kapillaritet er illustreret i sammenligningen af ​​denne ejendom til to meget forskellige væsker: vand og kviksølv.

Det øverste billede viser, at vandet stiger gennem rørets vægge, hvilket betyder, at det har højere vedhæftningskræfter; mens det modsatte sker med kviksølv, fordi dets sammenhængende, metalliske bindningskræfter forhindrer det i at væde glasset.

Af denne grund danner vand en konkav meniskus, og kviksølv er en konveks meniskus (kuppelformet). Det skal også bemærkes, at jo mindre rørets radius eller den sektion, gennem hvilken væsken bevæger sig, desto større er højden eller den tilbagelagte afstand (sammenligner vandkolonnernes højder for begge rør).

indeks

  • 1 Karakteristik af kapillaritet
    • 1.1 - Overfladen af ​​væsken
    • 1,2-Højde
    • 1.3-overfladespænding
    • 1.4 -Radio af kapillæren eller porerne, hvor væsken stiger
    • 1.5 - Kontaktvinkel (θ)
  • 2 Kapillaritet af vand
    • 2.1 på planter
  • 3 referencer

Karakteristik af kapillaritet

-Overfladen af ​​væsken

Væskens overflade, for at sige vand, i en kapillær er konkav; det vil sige, menisken er konkav. Denne situation opstår, fordi resultatet af de kræfter, der udøves på vandmolekyler nær rørets væg, er rettet mod dette.

I alle meniscus er der en kontaktvinkel (θ), som er den vinkel, der danner kapillarrørets væg med en linie, der er tangent til væskens overflade ved kontaktpunktet.

Adhæsions- og samhørighedskræfter

Hvis væskens adhæsionsstyrke til kapillærvæggen råder over den intermolekylære kohæsionsstyrke, er vinklen θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.

Når en dråbe vand lægges på overfladen af ​​et rent glas spreder vandet på glasset, således at θ = 0 og cos θ = 1.

Hvis den intermolekylære kohæsionsstyrke hersker over kapillærens væskevægsadhæsningsstyrke, fx i kviksølv, vil menisken være konveks, og vinklen θ vil have en værdi> 90º; kviksølvet våd ikke kapillærvæggen og falder derfor gennem sin indre væg.

Når en dråbe kviksølv er anbragt på overfladen af ​​et rent glas, holder dråben sin form og vinklen θ = 140º.

-højde

Vand stiger gennem kapillarrøret for at nå en højde (h), hvor vægten af ​​vandkolonnen kompenserer for den vertikale komponent af den intermolekylære kohæsionsstyrke.

Efterhånden som mere vand stiger, kommer der et punkt, hvor tyngdekraften vil stoppe sin stigning, selv med overfladespænding, der arbejder til din fordel.

Når dette sker, kan molekylerne ikke fortsætte med at "klatre" op på de indre vægge, og alle fysiske kræfter udlignes. På den ene side har du de kræfter, der fremmer vandstigningen, og på den anden side skubber din egen vægt det ned.

Jurins lov

Dette kan skrives matematisk som følger:

2 π rΥcosθ = ρgπr2h

Hvor den venstre side af ligningen afhænger af overfladespændingen, hvis størrelse også er relateret til kohesions- eller intermolekylære kræfter; Cosθ repræsenterer kontaktvinklen, og r er den radius af hullet, gennem hvilken væsken stiger.

Og på højre side af ligningen har vi højden h, tyngdekraften g og væskens tæthed; det ville være vandet.

Clearing så h du har

h = (2Υcosθ / ρgr)

Denne formulering er kendt som Jurins lov, som definerer højden nået af væskesøjlen i kapillærrøret, når vægten af ​​væskesøjlen er afbalanceret med kraften af ​​opstigning ved kapillaritet.

-Overfladespænding

Vand er et dipolært molekyle på grund af ilt atomets elektronegativitet og dens molekylære geometri. Dette forårsager den del af vandmolekylet, hvor oxygenet er placeret til at være negativt ladet, medens delen af ​​vandmolekylet, som indeholder de 2 hydrogenatomer, er positivt ladet.

Molekylerne i væsken interagerer takket være dette gennem flere hydrogenbindinger og holder dem sammen. Imidlertid er vandmolekylerne, der er i grænsefladen vand: luft (overflade), genstand for en netattraktion for molekylerne i den flydende sinus, ikke kompenseret af den svage attraktion med luftmolekylerne..

Derfor er grænsefladenes vandmolekyler udsat for en attraktiv kraft, der har tendens til at fjerne vandmolekyler fra grænsefladen; det vil sige, at brintbroerne dannet med molekylerne i bunden trækker dem, som er på overfladen. Overfladespændingen søger således at reducere overfladen af ​​vandet: luftgrænsefladen.

Forholdet til h

Hvis du ser på ligningen af ​​Jurins lov, vil du opdage, at h er direkte proportional med Υ; derfor jo større overfladespændingen af ​​væsken er, jo større er den højde, der kan stige gennem en kapillær eller pore af et materiale.

Det kan således forventes, at for to væsker A og B med forskellige overfladespændinger stiger den med den højeste overfladespænding til en højere højde.

Det kan konkluderes fra dette punkt, at en høj overfladespænding er den vigtigste karakteristika, der definerer kapillæregenskaberne af en væske.

-Radi af kapillær eller pore, hvor væsken stiger

Observationen af ​​Jurins lov angiver, at den højde, der nås af en væske i en kapillær eller porie, er omvendt proportional med radiusen af ​​det samme.

Derfor er jo mindre radius, desto større er den højde, som væskesøjlen kommer til at nå ved kapillarvirkning. Dette kan ses direkte i billedet, hvor vand sammenlignes med kviksølv.

I et glasrør med en radius på 0,05 mm radius vil vandkolonnen ved kapillaritet nå en højde på 30 cm. I kapillærrør med en radius på 1 μm med et sugetryk på 1,5 x 103 hPa (som er lig med 1,5 atm) svarer til en beregning af vandkolonnens højde fra 14 til 15 m.

Dette ligner meget på, hvad der sker med de stråer, der drejer sig om sig selv flere gange. Ved at suge væsken skabes der en trykforskel, der får væsken til at stige til munden.

Maksimumhøjdeværdien af ​​kolonnen opnået ved kapillaritet er teoretisk, da kapillærernes radius ikke kan reduceres over en vis grænse.

Poiseuille lov

Dette fastslår, at strømmen af ​​en reel væske er givet ved følgende udtryk:

Q = (πr4/ 8ηl) ΔP

Hvor Q er væskestrømmen, er η dens viskositet, l rørets længde og ΔP trykforskellen.

Ved nedsættelse af en kapillærs radius bør højden af ​​væskens kolonne nået ved kapillaritet øges på ubestemt tid. Poiseuille påpeger dog, at reduktion af radiusen også nedsætter væskestrømmen gennem den kapillære.

Derudover vil viskositeten, som er et mål for modstanden, der modsætter strømmen af ​​en reel væske, yderligere reducere væskestrømmen.

-Kontaktvinkel (θ)

Jo højere værdien af ​​cosθ, jo højere vandkolonnens højde ved kapillaritet, som angivet af Jurins lov.

Hvis θ er lille og nærmer sig nul (0), er cosθ = 1, så værdien h vil være maksimal. Tværtimod, hvis θ er lig med 90º, cosθ = 0 og værdien af ​​h = 0.

Når værdien af ​​θ er større end 90º, hvilket er tilfældet med den konvekse meniskus, stiger væsken ikke med kapillaritet, og dens tendens er at falde ned (som sker med kviksølv).

Vandkapillaritet

Vandet har en overfladespændingsværdi på 72,75 N / m, relativt høj i forhold til værdierne for overfladespænding af følgende væsker:

-Aceton: 22,75 N / m

-Ethylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Methanol: 22,61 N / m.

Vand har derfor en usædvanlig overfladespænding, som favoriserer udviklingen af ​​det kapillære fænomen, der er nødvendigt for absorption af vand og næringsstoffer af planter.

På planterne

Kapillariteten er en vigtig mekanisme for plantens xylemopløftning, men det er ikke tilstrækkeligt i sig selv at få sapet til at nå træernes blade.

Transpirationen eller fordampningen er en vigtig mekanisme ved opstigningen af ​​saften ved planternes xylem. Bladene mister vand ved fordampning, hvilket giver et fald i mængden af ​​vandmolekyler, hvilket forårsager en tiltrækning af de vandmolekyler, der er til stede i kapillarrørene (xylem).

Vandmolekylerne virker ikke uafhængigt af hinanden, men interagerer med Van der Waals-styrkerne, som får dem til at opstigne forbundet med plantens kapillarrør mod bladene.

Ud over disse mekanismer skal det bemærkes, at planterne absorberer vand fra jorden ved osmose, og at et positivt tryk dannet ved roden danner starten på stigningen af ​​vand gennem plantens kapillærer.

referencer

  1. García Franco A. (2010). Overfladiske fænomener. Hentet fra: sc.ehu.es
  2. Overfladefænomener: Overfladespænding og kapillaritet. [PDF]. Hentet fra: ugr.es
  3. Wikipedia. (2018). Kapillaritet. Hentet fra: en.wikipedia.org
  4. Risvhan T. (s.f.) Kapillaritet i planterne. Hentet fra: academia.edu
  5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. december 2018). Kapillær handling: Definition og eksempler. Hentet fra: thoughtco.com
  6. Ellen Ellis M. (2018). Kapillær virkning af vand: Definition og eksempler. Undersøgelse. Hentet fra: study.com
  7. ScienceStruck Staff. (16. juli 2017). Eksempler der forklarer begrebet og betydningen af ​​kapillær handling. Hentet fra: sciencestruck.com