Zjawiska kapilarne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Zjawisko kapilarne

Zjawiska kapilarne to cały 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.

Opis fizyczny[edytuj | 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=mg=V \rho g=\pi r^{2} h \rho g\,

Siła napięcia powierzchniowego wody tuż przy ściance:

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\sigma\cos{\theta}}\over{\rho g r}}

gdzie

Qciężar słupa wody,
h – wysokość słupa wody,
r – promień kapilary,
ρgęstość wody,
V – objętość zajmowana przez wodę,
mmasa wody,
gprzyspieszenie ziemskie.
Fsiła napięcia powierzchniowego,
σnapięcie powierzchniowe.
θ - kąt zwilżania

Dla wody[edytuj | 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 \approx \frac {1,4 \times 10^{-5}\, \mathrm{m}^{2}} {r} = \frac {14 \,\text{mm}^{2}} r.

W rurce o promieniu 1m woda podniesie się o 0,014mm, a 1mm - 14mm, a 0,1mm o 140 mm.

Przykłady[edytuj | 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 | 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".