در علم شروع کنید. کشش سطحی

پدیده های مویرگیپدیده های سطحی در مرز یک مایع با محیط دیگری که با انحنای سطح آن مرتبط است. انحنای سطح مایع در مرز فاز گاز در نتیجه عمل کشش سطحی مایع رخ می دهد که تمایل به کاهش سطح مشترک دارد و به حجم محدود مایع شکل یک کره می دهد. از آنجایی که کره دارای حداقل مساحت سطح برای یک حجم معین است، این شکل مربوط به حداقل انرژی سطحی مایع است، یعنی. حالت تعادل پایدار آن در مورد توده های مایع به اندازه کافی بزرگ، اثر کشش سطحی توسط گرانش جبران می شود، بنابراین یک مایع با ویسکوزیته کم به سرعت به شکل ظرفی در می آید که در آن ریخته می شود و آزاد است. سطح تقریباً صاف به نظر می رسد.

در صورت عدم وجود جاذبه یا در صورت وجود جرم های بسیار کوچک، مایع همیشه شکل کروی (قطره) به خود می گیرد که انحنای سطح آن تعیین کننده بسیاری از چیزها است. خواص یک ماده بنابراین، پدیده های مویرگی در شرایط بی وزنی، در هنگام خرد شدن مایع در یک محیط گازی (یا پاشش گاز به مایع) و تشکیل سیستم هایی متشکل از قطرات یا حباب های زیادی (امولسیون ها، ذرات معلق در هوا) تلفظ می شوند و نقش مهمی ایفا می کنند. ، فوم ها)، در هنگام ظهور فاز جدیدی از قطرات مایع در حین تراکم بخارات، حباب های بخار در هنگام جوش، هسته های تبلور. هنگامی که یک مایع با اجسام متراکم (مایع دیگر یا یک جسم جامد) تماس پیدا می کند، انحنای سطح مشترک در نتیجه عمل کشش سطحی رخ می دهد.

در مورد خیس کردن، به عنوان مثال، هنگامی که یک مایع با دیواره جامد یک ظرف تماس پیدا می کند، نیروهای جاذبه ای که بین مولکول های جامد و مایع اعمال می شود باعث بالا آمدن آن در امتداد دیواره ظرف می شود که در نتیجه آن بخش سطح مایع مجاور دیوار شکل مقعر به خود می گیرد. در کانال های باریک، به عنوان مثال، مویرگ های استوانه ای، یک منیسک مقعر تشکیل می شود - یک سطح مایع کاملا منحنی (شکل 1).

برنج. 1. ارتفاع مویرگی ساعتمایعی که دیواره های یک مویرگ با شعاع را خیس می کند r; q - زاویه تماس خیس شدن.

فشار مویرگی

از آنجایی که نیروهای کشش سطحی (بین سطحی) به صورت مماس بر سطح مایع هدایت می شوند، انحنای دومی منجر به ظاهر شدن یک جزء هدایت شده در داخل حجم مایع می شود. در نتیجه، فشار مویرگی ایجاد می شود که مقدار آن Dp با معادله لاپلاس به شعاع متوسط ​​انحنای سطح r 0 مربوط می شود:

Dp = p 1 - p 2 \u003d 2s 12 / r 0, (1)

جایی که p 1 و p 2 - فشار در مایع 1 و فاز 2 مجاور (گاز یا مایع)، s 12 - کشش سطحی (واسطه ای).

اگر سطح مایع مقعر باشد (r 0< 0), давление в ней оказывается пониженным по сравнению с давлением в соседней фазе p 1 < р 2 и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r 0 >0) علامت Dp معکوس است. فشار منفی مویرگی که هنگام خیس شدن دیواره های مویرگی توسط مایع رخ می دهد منجر به این واقعیت می شود که مایع تا زمانی که وزن ستون مایع به ارتفاع ستون برسد به داخل مویرگ مکیده می شود. ساعتافت فشار Dp را متعادل نمی کند. در حالت تعادل، ارتفاع افزایش مویرگی با فرمول Jurin تعیین می شود:

که در آن r 1 و r 2 چگالی مایع 1 و متوسط ​​2 هستند، g شتاب گرانش، r شعاع مویرگ، q زاویه خیس شدن است. برای مایعاتی که دیواره های مویرگی را خیس نمی کنند، cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

از عبارت (2) از تعریف ثابت مویرگی مایع پیروی می کند آ= 1/2. دارای بعد طول است و اندازه خطی را مشخص می کند ز[آ،که در آن پدیده های مویرگی قابل توجه می شوند بنابراین، برای آب در دمای 20 درجه سانتیگراد a = 0.38 سانتی متر در گرانش ضعیف (g: 0)، مقدار آافزایش. در ناحیه تماس ذرات، تراکم مویرگی منجر به انقباض ذرات در اثر کاهش فشار Dp می شود.< 0.

معادله کلوین

انحنای سطح مایع منجر به تغییر در فشار بخار تعادلی بالای آن می شود آردر مقایسه با فشار بخار اشباع psبالای یک سطح صاف با همان دما تی.این تغییرات با معادله کلوین توصیف می شوند:

جایی که حجم مولی مایع است، R ثابت گاز است. کاهش یا افزایش فشار بخار به علامت انحنای سطح بستگی دارد: روی سطوح محدب (r 0 > 0) p > p s ;بیش از حد مقعر (r 0< 0) آر< р s . . بنابراین، بالاتر از قطره ها، فشار بخار افزایش می یابد. در حباب، برعکس، آن را کاهش می دهد.

بر اساس معادله کلوین، پر شدن مویرگ ها یا اجسام متخلخل در محاسبه می شود تراکم مویرگیاز آنجایی که ارزش ها آربرای ذرات با اندازه های مختلف یا برای سطوح با فرورفتگی و برجستگی متفاوت هستند، معادله (3) همچنین جهت انتقال ماده را در فرآیند انتقال سیستم به حالت تعادل تعیین می کند. این امر به ویژه منجر به این واقعیت می شود که قطرات یا ذرات نسبتاً بزرگ به دلیل تبخیر (انحلال) ذرات کوچکتر رشد می کنند و بی نظمی های سطح اجسام غیر کریستالی به دلیل انحلال برآمدگی ها و بهبود فرورفتگی ها صاف می شوند. تفاوت های محسوس در فشار بخار و حلالیت فقط در r 0 به اندازه کافی کوچک رخ می دهد (برای آب، برای مثال، در r 0. بنابراین، معادله کلوین اغلب برای توصیف وضعیت سیستم های کلوئیدی و اجسام متخلخل و فرآیندهای موجود در آنها استفاده می شود.

برنج. 2. جابجایی سیال بر اساس طول لدر یک مویرگ با شعاع r. q - زاویه تماس.

اشباع مویرگی

کاهش فشار زیر منیسک های مقعر یکی از دلایل حرکت مویرگی مایع به سمت منیسک ها با شعاع انحنای کمتر است. یک مورد خاص در این مورد، اشباع اجسام متخلخل است - جذب خود به خود مایعات به منافذ لیوفیل و مویرگها (شکل 2). سرعت vحرکت مینیسک در یک مویرگی افقی (یا در یک مویرگ عمودی بسیار نازک، زمانی که تأثیر گرانش کم است) با معادله پوازوی تعیین می شود:

جایی که لطول بخش مایع جذب شده، h ویسکوزیته آن، Dp افت فشار در بخش است. ل، برابر با فشار مویرگی منیسک: Dp = - 2s 12 cos q/r. اگر زاویه تماس q به سرعت بستگی ندارد vمی توان مقدار مایع جذب شده را در طول زمان محاسبه کرد تیاز نسبت:

ل(تی) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)

اگر q یک تابع باشد v، آن لو vمرتبط با روابط پیچیده تر

معادلات (4) و (5) برای محاسبه میزان اشباع چوب در هنگام تصفیه چوب با مواد ضد عفونی کننده، رنگرزی پارچه ها، اعمال کاتالیزور بر روی حامل های متخلخل، شستشو و استخراج نفوذی اجزای سنگی ارزشمند و غیره استفاده می شود. برای سرعت بخشیدن به اشباع، اغلب از سورفکتانت ها استفاده می شود. استفاده می شود که خیس شدن را با کاهش زاویه تماس q بهبود می بخشد. یکی از گزینه های اشباع مویرگی، جابجایی یک مایع از یک محیط متخلخل توسط دیگری است که با اولین و بهتر خیس کردن سطح منافذ مخلوط نمی شود. به عنوان مثال، این اساس روش های استخراج روغن باقیمانده از مخازن با محلول های آبی سورفکتانت ها و روش های تخلخل سنجی جیوه است. جذب مویرگی محلول ها در منافذ و جابجایی مایعات غیر قابل اختلاط از منافذ، همراه با جذب و انتشار اجزاء، توسط هیدرودینامیک فیزیکوشیمیایی در نظر گرفته می شود.

علاوه بر حالت‌های تعادل توصیف شده مایع و حرکت آن در منافذ و مویرگ‌ها، حالت‌های تعادلی حجم‌های بسیار کوچک مایع، به‌ویژه لایه‌ها و لایه‌های نازک، پدیده‌های مویرگی نیز نامیده می‌شوند. این پدیده های مویرگی اغلب به عنوان پدیده های مویرگی نوع II نامیده می شوند. آنها به عنوان مثال با وابستگی کشش سطحی مایع به شعاع قطره ها و کشش خطی مشخص می شوند. پدیده های مویرگی اولین بار توسط لئوناردو داوینچی (1561)، بی. پاسکال (قرن 17) و جی. جورین (قرن 18) در آزمایشات با لوله های مویرگی مورد مطالعه قرار گرفتند. تئوری پدیده های مویرگی در آثار P. Laplace (1806)، T. Jung (1804)، A. Yu. Davydov (1851)، J. W. Gibbs (1876)، I. S. Gromeka (1879، 1886) توسعه یافت. آغاز توسعه نظریه پدیده های مویرگی نوع دوم با آثار B.V. Deryagin و L. M. Shcherbakov گذاشته شد.

هنگام خیس شدن، انحنای سطح رخ می دهد که ویژگی های لایه سطحی را تغییر می دهد. وجود بیش از حد انرژی آزاد در نزدیکی یک سطح منحنی منجر به پدیده های به اصطلاح مویرگی - بسیار عجیب و غریب و مهم می شود.

اجازه دهید ابتدا یک بررسی کیفی در مورد مثال حباب صابون انجام دهیم. اگر در حین دمیدن حباب، انتهای لوله را باز کنیم، می بینیم که حباب واقع در انتهای آن کم شده و به داخل لوله کشیده می شود. از آنجایی که هوا از انتهای باز با اتمسفر ارتباط برقرار می کند، برای حفظ حالت تعادل حباب صابون، لازم است که فشار داخل بیشتر از بیرون باشد. اگر در همان زمان، یک لوله به یک مونومتر متصل شود، اختلاف سطح مشخصی روی آن ثبت می شود - فشار اضافی DP در فاز حجمی گاز از سمت مقعر سطح حباب.

اجازه دهید یک رابطه کمی بین DP و شعاع انحنای سطح 1/r بین دو فاز توده ای که در تعادل هستند و توسط یک سطح کروی از هم جدا شده اند برقرار کنیم. (مثلاً حباب گاز در مایع یا قطره مایع در فاز بخار). برای انجام این کار، از عبارت ترمودینامیکی عمومی برای انرژی آزاد در شرایط T = const و عدم انتقال ماده از یک فاز به فاز دیگر dn i = 0 استفاده می کنیم. تغییرات در سطح ds و حجم dV در حالت تعادل امکان پذیر است. بگذارید V dV و s به ds افزایش یابد. سپس:

dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.

در حالت تعادل dF = 0. با در نظر گرفتن این واقعیت که dV 1 = dV 2 , متوجه می شویم:

P 1 - P 2 \u003d s ds / dV.

بنابراین P 1 > P 2 . با توجه به اینکه V 1 = 4/3 p r 3 ، جایی که r شعاع انحنا است، به دست می آوریم:

جایگزینی معادله لاپلاس را به دست می دهد:

P 1 - P 2 \u003d 2s / r. (1)

به طور کلی، برای یک بیضی چرخشی با شعاع اصلی انحنای r 1 و r 2، قانون لاپلاس فرموله می شود:

P 1 - P 2 \u003d s / (1 / R 1 - 1 / R 2).

برای r 1 = r 2 (1) به دست می آوریم، برای r 1 = r 2 = ¥ (صفحه) P 1 = P 2 .

اختلاف DP را فشار مویرگی می نامند. اجازه دهید معنای فیزیکی و پیامدهای قانون لاپلاس را که اساس نظریه‌های پدیده‌های مویرگی است، در نظر بگیریم.این معادله نشان می‌دهد که اختلاف فشار در فازهای حجیم با افزایش s و با کاهش شعاع انحنا افزایش می‌یابد. بنابراین، هرچه پراکندگی بیشتر باشد، فشار داخلی مایع با سطح کروی بیشتر است. به عنوان مثال، برای یک قطره آب در فاز بخار در r = 10 -5 سانتی متر، DP = 2. 73 . 10 5 dynes / cm 2 "15 at. بنابراین، فشار داخل قطره، در مقایسه با بخار، 15 اتمسفر بیشتر از فاز بخار است. باید به خاطر داشت که صرف نظر از حالت تجمع فازها، در حالت تعادل، فشار روی طرف مقعر سطح همیشه بیشتر از روی محدب است.این معادله مبنایی را برای اندازه گیری تجربی s فراهم می کند. با روش بالاترین فشار حباب. یکی از مهم ترین پیامدهای وجود فشار مویرگی بالا آمدن مایع در مویرگ است.

پدیده های مویرگی در مایع حاوی مشاهده می شود

در ظروف باریک که فاصله بین دیوارها متناسب با شعاع انحنای سطح مایع است. انحنای ناشی از برهمکنش سیال با دیواره های رگ است. ویژگی رفتار یک مایع در رگ های مویرگی بستگی به این دارد که آیا مایع دیواره های ظرف را خیس می کند یا نه، به طور دقیق تر، به مقدار زاویه تماس خیس شدن.

اجازه دهید موقعیت سطوح مایع را در دو مویرگ در نظر بگیریم که یکی از آنها دارای سطح لیوفیلیک است و بنابراین دیواره های آن خیس شده است، در حالی که دیگری دارای سطح لیوفیلیزه است و خیس نمی شود. در مویرگ اول، سطح دارای انحنای منفی است. فشار اضافی لاپلاس تمایل به کشش سیال دارد. (فشار به سمت مرکز انحنای هدایت می شود). فشار زیر سطح کمتر از فشار در سطح صاف است. در نتیجه نیروی شناوری ایجاد می شود که مایع را در مویین بالا می برد تا وزن ستون نیروی عمل کننده را متعادل کند. مایع در مویرگ پایین می آید.

در حالت تعادل، فشار لاپلاس برابر با فشار هیدرواستاتیک یک ستون مایع به ارتفاع h است:

DP \u003d ± 2s / r \u003d (r - r o) gh، جایی که r، r o چگالی فاز مایع و گاز است، g شتاب گرانش است، r شعاع منیسک است.

برای اینکه ارتفاع مویرگی را با مشخصه خیس شدن مرتبط کنیم، شعاع منیسک را بر حسب زاویه خیس شدن Q و شعاع مویین r 0 بیان می کنیم. واضح است که r 0 = r cosQ، ارتفاع افزایش مویرگی به صورت (فرمول جورین) بیان می شود:

h \u003d 2scosQ / r 0 (r - r 0)g

در غیاب خیس شدن Q>90 0، сosQ< 0, уровень жидкости опускается на величину h. При полном смачивании Q = 0, сosQ = 1, в этом случае радиус мениска равен радиусу капилляра. Измерение высоты капиллярного поднятия лежит в основе одного из наиболее точных методов определения поверхностного натяжения жидкостей.

تعدادی از پدیده ها و فرآیندهای شناخته شده با افزایش مویرگی مایعات توضیح داده می شوند: آغشته شدن کاغذ و پارچه به دلیل بالا آمدن مویرگی مایع در منافذ است. مقاومت در برابر آب پارچه ها با آب گریزی آنها - نتیجه افزایش منفی مویرگی - تضمین می شود. بالا آمدن آب از خاک به دلیل ساختار خاک رخ می دهد و وجود پوشش گیاهی زمین را تضمین می کند، بالا آمدن آب از خاک در امتداد تنه گیاهان به دلیل ساختار الیافی چوب رخ می دهد. گردش خون در رگ ها، افزایش رطوبت در دیوارهای ساختمان (عایق رطوبتی) و غیره.

واکنش ترمودینامیکی (t.r.s.).

این توانایی یک ماده را برای رفتن به حالت دیگری، به عنوان مثال، به فاز دیگر، برای ورود به یک واکنش شیمیایی مشخص می کند. این نشان دهنده دور بودن سیستم داده شده از حالت تعادل در شرایط معین است. T.r.s. با میل ترکیبی شیمیایی تعیین می شود که می تواند به صورت تغییر در انرژی گیبس یا تفاوت در پتانسیل های شیمیایی بیان شود.

R.s به درجه پراکندگی ماده بستگی دارد. تغییر در درجه پراکندگی می تواند منجر به تغییر فاز یا تعادل شیمیایی شود.

افزایش متناظر در انرژی گیبس dG d (به دلیل تغییر در پراکندگی) را می توان به عنوان یک معادله ترکیبی از قوانین اول و دوم ترمودینامیک نشان داد: dG d = -S dT + V dp

برای یک ماده مجزا V = V mol و در T = const داریم: dG d = V mol dp یا DG d = V mol Dp

با جایگزینی رابطه لاپلاس در این معادله، dG d = s V mol ds/dV بدست می آوریم.

برای انحنای کروی: dG d \u003d ± 2 s V mol / r (3)

معادلات نشان می دهد که افزایش واکنش پذیری به دلیل تغییر در پراکندگی متناسب با انحنای سطح یا پراکندگی است.

اگر انتقال یک ماده را از فاز متراکم به فاز گازی در نظر بگیریم، انرژی گیبس را می توان بر حسب فشار بخار بیان کرد و آن را ایده آل در نظر گرفت. سپس تغییر اضافی در انرژی گیبس مرتبط با تغییر در پراکندگی است:

dG d \u003d RT ln (p d / p s) (4)، که در آن p d و ps فشار بخار اشباع شده روی سطوح منحنی و یکنواخت هستند.

با جایگزینی (4) به (3) دریافت می کنیم: ln (p d / p s) = ± 2 ثانیه V mol / RT r

این نسبت را معادله کلوین تامسون می نامند. از این معادله برمی‌آید که با انحنای مثبت، فشار بخار اشباع شده روی یک سطح منحنی بیشتر خواهد بود، انحنای بیشتر، یعنی. شعاع قطرات کوچکتر به عنوان مثال، برای یک قطره آب با شعاع r = 10 -5 سانتی متر (s = 73، V mol = 18) p d / p s = 0.01، یعنی 1٪. این پیامد قانون کلوین تامسون امکان پیش‌بینی پدیده تقطیر ایزوترمیک را فراهم می‌کند که شامل تبخیر کوچک‌ترین قطرات و متراکم شدن بخار در قطرات بزرگ‌تر و روی سطح صاف است.

با انحنای منفی که در مویرگ ها در حین خیس شدن رخ می دهد، یک رابطه معکوس به دست می آید: فشار بخار اشباع روی سطح منحنی (بالای قطره) با افزایش انحنا (با کاهش شعاع مویرگی) کاهش می یابد. بنابراین، اگر مایع مویرگ را خیس کند، تراکم بخار در مویرگ با فشار کمتری نسبت به سطح صاف رخ می دهد. به همین دلیل است که معادلات کلوین اغلب به عنوان معادله تراکم مویرگی نامیده می شود.

اجازه دهید تأثیر پراکندگی ذرات را بر حلالیت آنها در نظر بگیریم. با توجه به اینکه تغییر در انرژی گیبس از طریق حلالیت یک ماده در حالت پراکنده متفاوت، مشابه رابطه (4) بیان می شود، برای غیر الکترولیت ها به دست می آوریم:

ln(c d /c a) = ± 2 s V mol / RT r که در آن c d و c a حلالیت یک ماده در حالت پراکنده ریز و حلالیت در تعادل با ذرات بزرگ این ماده است.

برای الکترولیتی که در محلول به n یون تجزیه می شود، می توانیم بنویسیم (با نادیده گرفتن ضرایب فعالیت):

ln(a d /a s) \u003d n ln (c d /c s) \u003d ± 2 s V mol /RT r، که در آن a d و a s فعالیت های الکترولیت در محلول های اشباع شده نسبت به حالت پراکندگی y و پراکندگی درشت هستند. معادلات نشان می دهد که با افزایش پراکندگی، حلالیت افزایش می یابد و یا پتانسیل شیمیایی ذرات سیستم پراکنده بیشتر از ذرات بزرگ به میزان 2 ثانیه V mol/r است. در عین حال، حلالیت به علامت انحنای سطح بستگی دارد، به این معنی که اگر ذرات یک جامد شکل نامنظم با انحنای مثبت و منفی داشته باشند و در محلول اشباع قرار گیرند، مناطق دارای انحنای مثبت حل می شوند. و آنهایی که انحنای منفی دارند رشد خواهند کرد. در نتیجه، ذرات ماده محلول در نهایت یک شکل کاملاً مشخص مطابق با حالت تعادل به دست می‌آورند.

درجه پراکندگی همچنین می تواند بر تعادل یک واکنش شیمیایی تأثیر بگذارد: - DG 0 d \u003d RT ln (K d / K)، که در آن DG 0 d افزایش میل ترکیبی شیمیایی به دلیل پراکندگی است، Kd و K تعادل هستند. ثابت های واکنش های شامل مواد پراکنده و غیر پراکنده.

با افزایش پراکندگی، فعالیت اجزاء افزایش می یابد و مطابق با این، بسته به درجه پراکندگی مواد اولیه و محصولات واکنش، ثابت تعادل شیمیایی در یک جهت یا دیگری تغییر می کند. به عنوان مثال، برای واکنش تجزیه کربنات کلسیم: CaCO 3 " CaO + CO 2

افزایش در پراکندگی کربنات کلسیم اولیه، تعادل را به سمت راست تغییر می دهد و فشار دی اکسید کربن بر روی سیستم افزایش می یابد. افزایش پراکندگی اکسید کلسیم منجر به نتیجه معکوس می شود.

به همین دلیل، با افزایش پراکندگی، پیوند آب تبلور با ماده ضعیف می شود. بنابراین درشت کریستال Al 2 O 3. 3 H 2 O در 473 کلوین آب می دهد، در حالی که در رسوبی از ذرات با اندازه کلوئیدی، هیدرات کریستالی در 373 کلوین تجزیه می شود. طلا با اسید کلریدریک برهمکنش نمی کند و طلای کلوئیدی در آن حل می شود. گوگرد درشت به طور قابل توجهی با نمک های نقره برهمکنش نمی کند و گوگرد کلوئیدی سولفید نقره را تشکیل می دهد.

توجه! سایت مدیریت سایت مسئولیتی در قبال محتوای پیشرفت های روش شناختی و همچنین برای انطباق با توسعه استاندارد آموزشی ایالت فدرال ندارد.

• شرکت کننده: نیکولایف ولادیمیر سرگیویچ
• رئیس: سلیمانوا آلفیا سایفولونا

هدف کار پژوهشی: اثبات علت حرکت مایع از طریق مویرگ ها از دیدگاه فیزیک، شناسایی ویژگی های پدیده های مویرگی.

معرفی

در این عصر تکنولوژی پیشرفته، علوم طبیعی به طور فزاینده ای در زندگی مردم اهمیت پیدا می کند. مردم قرن بیست و یکم کامپیوترها، گوشی‌های هوشمند بسیار کارآمد تولید می‌کنند و دنیای اطراف ما را عمیق‌تر و عمیق‌تر مطالعه می‌کنند. من فکر می کنم که مردم در حال آماده شدن برای یک انقلاب علمی و فناوری جدید هستند که آینده ما را به طور اساسی تغییر خواهد داد. اما هیچ کس نمی داند که این تغییرات چه زمانی رخ خواهند داد. هر فردی با کار خود می تواند این روز را نزدیک تر کند.

این کار تحقیقاتی سهم کوچک من در توسعه فیزیک است.

این کار تحقیقاتی به موضوع فعلی "پدیده های مویرگی" اختصاص یافته است. در زندگی، ما اغلب با بدن هایی سر و کار داریم که توسط کانال های کوچک زیادی (کاغذ، نخ، چرم، مصالح ساختمانی مختلف، خاک، چوب) سوراخ شده اند. در تماس با آب یا مایعات دیگر، چنین اجسامی اغلب آنها را جذب می کنند. این پروژه اهمیت مویرگ ها را در زندگی موجودات زنده و غیر زنده نشان می دهد.

هدف کار پژوهشی: اثبات علت حرکت مایع از طریق مویرگ ها از دیدگاه فیزیک، شناسایی ویژگی های پدیده های مویرگی.

موضوع مطالعه: خاصیت جذب مایعات، بالا آمدن یا سقوط از طریق مویرگها.

موضوع تحقیق: پدیده های مویرگی در طبیعت جاندار و بی جان.

1. برای مطالعه مطالب نظری در مورد خواص یک مایع.
2. با مطالب مربوط به پدیده های مویرگی آشنا شوید.
3. انجام یک سری آزمایش برای تعیین علت افزایش مایع در مویرگ ها.
4. مطالب مورد مطالعه در طول کار را خلاصه کنید و نتیجه گیری کنید.

قبل از اقدام به بررسی پدیده های مویرگی، لازم است با خواص مایع که نقش بسزایی در پدیده های مویرگی دارند، آشنا شویم.

کشش سطحی

اصطلاح "کشش سطحی" به خودی خود بیانگر این است که ماده موجود در سطح در حالت "سفت" یعنی حالت فشار قرار دارد که با عمل نیرویی به نام فشار داخلی توضیح داده می شود. مولکول ها را در جهتی عمود بر سطح مایع به داخل مایع می کشد. بنابراین، مولکول‌هایی که در لایه‌های داخلی یک ماده قرار دارند، به‌طور میانگین جاذبه یکسانی را در همه جهات از مولکول‌های اطراف تجربه می‌کنند. مولکول های لایه سطحی از سمت لایه های داخلی مواد و از سمتی که با لایه سطحی محیط هم مرز است در معرض جاذبه نابرابر قرار می گیرند. به عنوان مثال، در سطح مشترک مایع و هوا، مولکول های مایع واقع در لایه سطحی به شدت از مولکول های مجاور لایه های داخلی مایع جذب می شوند تا مولکول های هوا. این دلیل تفاوت خواص لایه سطحی مایع با خواص حجم های داخلی آن است.

فشار داخلی باعث می شود که مولکول های واقع در سطح مایع به سمت داخل کشیده شوند و در نتیجه تمایل دارند سطح را در شرایط معین به حداقل کاهش دهند. نیرویی که در واحد طول سطح مشترک عمل می کند و باعث انقباض سطح مایع می شود، نیروی کشش سطحی یا به سادگی کشش سطحی σ نامیده می شود.

کشش سطحی مایعات مختلف یکسان نیست، بستگی به حجم مولی آنها، قطبیت مولکول ها، توانایی مولکول ها برای ایجاد پیوند هیدروژنی با یکدیگر و غیره دارد.

با افزایش دما، کشش سطحی به صورت خطی کاهش می یابد. کشش سطحی مایع نیز تحت تأثیر ناخالصی های موجود در آن است. موادی که کشش سطحی را کاهش می دهند، عوامل فعال سطحی (سورفکتانت) نامیده می شوند. در رابطه با آب، سورفکتانت ها فرآورده های نفتی، الکل ها، اتر، صابون و سایر مواد مایع و جامد هستند. برخی از مواد کشش سطحی را افزایش می دهند. به عنوان مثال ناخالصی های نمک و شکر.

این توسط MKT توضیح داده شده است. اگر نیروهای جاذبه بین مولکول‌های خود مایع بیشتر از نیروهای جاذبه بین مولکول‌های سورفکتانت و مایع باشد، مولکول‌های مایع از لایه سطحی به سمت داخل رفته و مولکول‌های سورفکتانت با فشار به سطح بیرون می‌روند. . واضح است که مولکول های نمک و شکر به داخل مایع کشیده می شوند و مولکول های آب به سطح رانده می شوند. بنابراین کشش سطحی، مفهوم اساسی فیزیک و شیمی پدیده های سطحی، از نظر عملی نیز یکی از مهمترین ویژگی ها است. لازم به ذکر است که هر تحقیق علمی جدی در زمینه فیزیک سیستم های ناهمگن مستلزم اندازه گیری کشش سطحی است. تاریخچه روش های آزمایشی برای تعیین کشش سطحی که قدمت بیش از دو قرن دارد، از روش های ساده و خام به روش های دقیقی رسیده است که امکان یافتن کشش سطحی را با دقت صدم درصد فراهم می کند. علاقه به این مشکل به ویژه در دهه های اخیر در ارتباط با راهپیمایی فضایی انسان، توسعه ساختار صنعتی، که در آن نیروهای مویرگی در دستگاه های مختلف اغلب نقش تعیین کننده ای دارند، افزایش یافته است.

یکی از این روشها برای تعیین کشش سطحی بر اساس بالا بردن مایع مرطوب کننده بین دو صفحه شیشه ای است. آنها باید در ظرفی با آب فرو رفته و به تدریج به موازات یکدیگر جمع شوند. آب بین صفحات شروع به بالا رفتن می کند - توسط نیروی کشش سطحی که در بالا ذکر شد به داخل کشیده می شود. محاسبه ضریب کشش سطحی σ با ارتفاع بالا آمدن آب y و شکاف بین صفحات آسان است. د.

نیروی کشش سطحی اف= 2σ L، جایی که L- طول صفحه (دوس به دلیل تماس آب با هر دو صفحه ظاهر شد). این نیرو لایه توده آب را نگه می دارد متر = ρ Ldu، که ρ چگالی آب است. بنابراین، 2σ L = ρ Ldug. از اینجا می توانیم ضریب کشش سطحی σ = 1/2 (ρ gdu). (1) اما جالب تر است که این کار را انجام دهید: صفحات را در یک انتها به هم فشار دهید و در انتهای دیگر یک شکاف کوچک بگذارید.

آب بالا می رود و سطحی منظم و شگفت انگیز بین صفحات تشکیل می دهد. بخش این سطح توسط یک صفحه عمودی یک هذلولی است. برای اثبات آن کافی است به جای d یک عبارت جدید برای شکاف در یک مکان معین در فرمول (1) جایگزین کنید. از شباهت مثلث های مربوطه (نگاه کنید به شکل 2) د = D (ایکس/L). اینجا D- ترخیص در پایان Lطول صفحه است، و ایکس- فاصله از محل تماس صفحات تا محل تعیین فاصله و ارتفاع تراز. بنابراین، σ = 1/2 (ρ Gu)D(ایکس/L)، یا در= 2σ L/ρ gD(1/ ایکس). (2) معادله (2) در واقع یک معادله هذلولی است.

خیس کننده و غیر خیس کننده

برای مطالعه دقیق پدیده های مویرگی، باید برخی از پدیده های مولکولی را نیز در نظر گرفت که در مرز سه فازی همزیستی فازهای جامد، مایع، گاز یافت می شوند، به ویژه تماس مایع با جسم جامد در نظر گرفته می شود. اگر نیروهای چسبندگی بین مولکول‌های یک مایع بیشتر از بین مولکول‌های یک جسم جامد باشد، آنگاه مایع تمایل دارد مرز (مساحت) تماس خود با جسم جامد را کاهش دهد و در صورت امکان از آن عقب‌نشینی کند. یک قطره از چنین مایعی بر روی سطح افقی یک جامد، به شکل یک توپ مایل به شکل می‌شود. در این حالت مایع را غیر مرطوب کننده جامد می نامند. زاویه θ که توسط سطح جسم جامد و مماس بر سطح مایع ایجاد می شود، زاویه لبه نامیده می شود. برای θ> 90 درجه غیر مرطوب. در این حالت به سطح جامدی که توسط مایع خیس نمی شود آبگریز یا اولئوفیل می گویند. اگر نیروهای چسبندگی بین مولکول‌های مایع کمتر از بین مولکول‌های مایع و جامد باشد، مایع تمایل دارد مرز تماس با جامد را افزایش دهد. در این حالت مایع را خیس کردن جامد می گویند. زاویه تماس θ< 90°. Поверхность же будет носить название гидрофильная. Случай, когда θ = 180°, называется полным несмачиванием. Однако это практически никогда не наблюдается, так как между молекулами жидкости и твёрдого тела всегда действуют силы притяжения. При θ = 0° наблюдается полное смачивание: жидкость растекается по всей поверхности твёрдого тела. Полное смачивание или полное несмачиваение являются крайними случаями. Между ними в зависимости от соотношения молекулярных сил промежуточное положение занимают переходные случаи неполного смачивания.

ترشوندگی و غیرترشوندگی مفاهیم نسبی هستند: مایعی که یک جامد را خیس می کند ممکن است جامدی دیگر را خیس نکند. به عنوان مثال، آب شیشه را خیس می کند اما پارافین را خیس نمی کند. جیوه شیشه را خیس نمی کند، اما مس را خیس می کند.

خیس شدن معمولاً به عنوان نتیجه عمل نیروهای کشش سطحی تفسیر می شود. بگذارید کشش سطحی در مرز هوا-مایع σ 1.2، در مرز مایع- جامد σ 1.3 و در مرز هوا-جامد σ 2.3 باشد.

سه نیرو در واحد طول محیط خیس شدن، از نظر عددی برابر با σ 1.2، σ 2.3، σ 1.3، به صورت مماس بر رابط های مربوطه اعمال می کنند. در حالت تعادل، همه نیروها باید یکدیگر را متعادل کنند. نیروهای σ 2.3 و σ 1.3 در صفحه سطح یک جسم جامد عمل می کنند، نیروی σ 1.2 با زاویه θ به سطح هدایت می شود.

شرایط تعادل برای سطوح سطحی به شکل زیر است:

مقدار cosθ معمولاً مرطوب نامیده می شود و با حرف B نشان داده می شود.

وضعیت سطح تأثیر خاصی بر خیس شدن دارد. ترشوندگی در حضور یک لایه تک مولکولی از هیدروکربن ها به طور چشمگیری تغییر می کند. دومی همیشه به مقدار کافی در جو وجود دارد. ریز ریلیف سطح نیز تأثیر خاصی بر خیس شدن دارد. با این حال، تا به امروز، یک نظم واحد از تأثیر زبری هر سطح بر خیس شدن آن توسط هر مایعی هنوز آشکار نشده است. به عنوان مثال، معادله ونزل-دریاگین cosθ = ایکس cosθ0 زوایای تماس مایع را روی سطوح ناهموار (θ) و صاف (θ 0) با نسبت x مساحت سطح واقعی بدن ناهموار به طرح ریزی آن بر روی صفحه متصل می کند. اما در عمل این معادله همیشه رعایت نمی شود. بنابراین، طبق این معادله، در مورد خیس کردن (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 - افزایش آن (یعنی آبگریزی بیشتر). بر این اساس، به عنوان یک قاعده، اطلاعاتی در مورد تأثیر زبری بر خیس شدن داده می شود.

به گفته بسیاری از نویسندگان، سرعت پخش یک مایع بر روی یک سطح ناهموار کمتر است، زیرا در حین پخش، مایع اثر تاخیری ناشی از ناهمواری های مواجهه شده (برآمدگی) را تجربه می کند. لازم به ذکر است که سرعت تغییر در قطر لکه ای است که توسط یک قطره مایع با دوز دقیق رسوب شده روی سطح تمیز یک ماده تشکیل شده است که به عنوان مشخصه اصلی خیس شدن در مویرگ ها استفاده می شود. مقدار آن هم به پدیده های سطحی و هم به ویسکوزیته مایع، چگالی و فراریت آن بستگی دارد.

واضح است که یک مایع چسبناک تر با سایر خواص یکسان بیشتر روی سطح پخش می شود و بنابراین آهسته تر از طریق کانال مویرگی جریان می یابد.

پدیده های مویرگی

پدیده‌های مویرگی، مجموعه‌ای از پدیده‌های ناشی از کشش سطحی در سطح مشترک محیط‌های غیرقابل امتزاج (در سیستم‌های مایع-مایع، مایع-گاز یا بخار) در حضور انحنای سطح. یک مورد خاص از پدیده های سطحی.

با مطالعه دقیق نیروهای نهفته در پدیده های مویرگی، ارزش رفتن مستقیم به مویرگ ها را دارد. بنابراین، از نظر تجربی، می توان مشاهده کرد که یک مایع مرطوب کننده (به عنوان مثال، آب در یک لوله شیشه ای) از طریق مویرگ بالا می رود. در این حالت، هر چه شعاع مویرگی کوچکتر باشد، مایع در آن بالاتر می رود. مایعی که دیواره های مویرگی را خیس نمی کند (مثلاً جیوه با یک لوله شیشه ای) در یک ظرف پهن به زیر سطح مایع می افتد. پس چرا مایع خیس کننده از طریق مویرگ بالا می رود، در حالی که مایع خیس کننده پایین می آید؟

توجه به اینکه سطح مایع تا حدودی مستقیماً در دیواره رگ خمیده است دشوار نیست. اگر مولکول‌های مایع در تماس با دیواره رگ با مولکول‌های جسم جامد قوی‌تر از یکدیگر تعامل داشته باشند، در این حالت مایع تمایل دارد سطح تماس با جسم جامد (مایع مرطوب) را افزایش دهد. در این حالت سطح مایع به سمت پایین خم می شود و گفته می شود که دیواره ظرفی را که در آن قرار دارد خیس می کند. اگر مولکول‌های مایع با یکدیگر تعامل قوی‌تری نسبت به مولکول‌های دیواره‌های رگ داشته باشند، مایع تمایل دارد سطح تماس با جسم جامد را کاهش دهد، سطح آن به سمت بالا منحنی می‌شود. در این مورد، از خیس نشدن دیواره های ظرف توسط مایع صحبت می شود.

در لوله های باریک که قطر آنها کسری از میلی متر است، لبه های خمیده مایع تمام لایه سطحی را می پوشاند و تمام سطح مایع در چنین لوله هایی شکلی شبیه به نیمکره دارد. این به اصطلاح منیسک است. می تواند مقعر باشد که در حالت خیس شدن مشاهده می شود و در صورت خیس نشدن محدب باشد. شعاع انحنای سطح مایع به همان ترتیب شعاع لوله است. پدیده خیس شدن و خیس نشدن در این مورد نیز با زاویه تماس θ بین سطح خیس شده لوله مویرگی و منیسک در نقاط تماس آنها مشخص می شود.

تحت منیسک مقعر مایع مرطوب کننده، فشار کمتر از سطح صاف است. بنابراین، مایع در یک لوله باریک (مویرگی) تا زمانی بالا می رود که فشار هیدرواستاتیک مایع بالا رفته در مویرگ در سطح یک سطح صاف، اختلاف فشار را جبران کند. تحت منیسک محدب یک مایع غیر مرطوب، فشار بیشتر از زیر یک سطح صاف است و این منجر به فرو رفتن مایع غیر مرطوب می شود.

وجود نیروهای کشش سطحی و انحنای سطح مایع در یک لوله مویین مسئول فشار اضافی زیر سطح منحنی است که فشار لاپلاس نامیده می شود: ∆. پ= ± 2σ / آر.

علامت فشار مویرگی ("بعلاوه" یا "منهای") به علامت انحنا بستگی دارد. مرکز انحنای یک سطح محدب در داخل فاز مربوطه قرار دارد. سطوح محدب دارای انحنای مثبت و سطوح مقعر دارای انحنای منفی هستند.

بنابراین، شرایط تعادل برای یک مایع در یک لوله مویرگی با برابری تعیین می شود

پ 0 = پ 0 - (2σ / آر) + ρ غ (1)

جایی که ρ چگالی مایع است، ساعتارتفاع بالا آمدن آن در لوله است، پ 0 - فشار اتمسفر.

از این عبارت چنین بر می آید که ساعت= 2σ /ρ gR. (2)

فرمول حاصل را با بیان شعاع انحنا تبدیل می کنیم آرمنیسک از طریق شعاع لوله مویرگی r.

از انجیر 6.18 نتیجه می شود که r = آر cosθ . با جایگزینی (1) به (2)، دریافت می کنیم: ساعت= 2σ cosθ /ρ گرم.

فرمول حاصل که ارتفاع بالا آمدن مایع در لوله مویین را تعیین می کند، فرمول جورین نامیده می شود. بدیهی است که هرچه شعاع لوله کوچکتر باشد، مایع در آن بالاتر می رود. علاوه بر این، ارتفاع بالابر با افزایش ضریب کشش سطحی مایع افزایش می یابد.

افزایش مایع مرطوب کننده از طریق مویرگ را می توان به روش دیگری توضیح داد. همانطور که قبلا ذکر شد، تحت تأثیر نیروهای کشش سطحی، سطح مایع تمایل به جمع شدن دارد. در نتیجه، سطح منیسک مقعر تمایل به صاف شدن و صاف شدن دارد. در همان زمان، ذرات مایعی را که زیر آن قرار دارد می کشد و مایع از مویرگ بالا می رود. اما سطح مایع در یک لوله باریک نمی تواند صاف بماند، بلکه باید شکل منیسک مقعر داشته باشد. به محض اینکه سطح داده شده در موقعیت جدید به شکل منیسک در می آید، دوباره تمایل به انقباض پیدا می کند و غیره. در نتیجه این دلایل، مایع مرطوب کننده از طریق مویرگ بالا می رود. بالا آمدن زمانی متوقف خواهد شد که نیروی گرانش FGravity ستون مایع برداشته شده، که سطح را به سمت پایین می کشد، نیروی حاصله F نیروهای کشش سطحی را که به صورت مماس به هر نقطه از سطح هدایت می شود، متعادل کند.

در امتداد محیط تماس سطح مایع با دیواره مویرگی، نیروی کشش سطحی برابر با حاصل ضرب ضریب کشش سطحی و محیط: 2sp عمل می کند. r، جایی که rشعاع مویرگی است.

نیروی گرانش وارد بر سیال بلند شده است

افرشته = میلی گرم = ρ Vg = ρπ r^2HG

جایی که ρ چگالی مایع است. ساعتارتفاع ستون مایع در مویرگ است. g- ترتیب گرانش

هنگامی که افزایش مایع متوقف می شود افرشته = افیا ρπ r^2HG= 2sp r. از این رو ارتفاع افزایش مایع در مویرگ است ساعت= 2σ /ρ gR.

در مورد یک مایع غیر مرطوب، دومی که به دنبال کاهش سطح خود است، به پایین فرو می رود و مایع را از مویرگ خارج می کند.

فرمول مشتق شده برای یک مایع غیر مرطوب نیز قابل استفاده است. در این مورد ساعتارتفاع مایع در مویرگ است.

پدیده های مویرگی در طبیعت

پدیده های مویرگی نیز در طبیعت بسیار رایج هستند و اغلب در فعالیت های عملی انسان مورد استفاده قرار می گیرند. چوب، کاغذ، چرم، آجر و بسیاری دیگر از اشیاء اطراف ما دارای مویرگ هستند. از طریق مویرگ ها، آب در امتداد ساقه گیاهان بالا می رود و وقتی خود را با آن خشک می کنیم، جذب حوله می شود. بالا آمدن آب از کوچکترین سوراخ یک تکه قند، خون گرفتن از انگشت نیز نمونه هایی از پدیده های مویرگی هستند.

سیستم گردش خون انسان، که با عروق بسیار ضخیم شروع می شود، به شبکه بسیار گسترده ای از نازک ترین مویرگ ها ختم می شود. به عنوان مثال، چنین داده هایی ممکن است جالب باشد. سطح مقطع آئورت 8 سانتی متر مربع است. قطر مویرگ خونی می تواند 50 برابر کوچکتر از قطر موی انسان با طول 0.5 میلی متر باشد. در بدن انسان بالغ حدود 160 میلیارد مویرگ وجود دارد. طول کل آنها به 80 هزار کیلومتر می رسد.

از طریق مویرگ های متعدد موجود در خاک، آب از لایه های عمیق به سطح بالا می رود و به شدت تبخیر می شود. برای کند کردن روند از دست دادن رطوبت، مویرگ ها با سست کردن خاک با کمک هارو، کولتیواتور، چاک دهنده از بین می روند.

بخش عملی

یک لوله شیشه ای با قطر داخلی بسیار کم ( د < l мм), так называемый капилляр. Опустим один из концов капилляра в сосуд с водой -вода поднимется выше уровня воды в сосуде. Поверхностное натяжение способно поднимать жидкость на сравнительно большую высоту.

بالا آمدن مایع در اثر اعمال نیروهای کشش سطحی آب را می توان در یک آزمایش ساده مشاهده کرد. یک پارچه تمیز بردارید و یک سر آن را در یک لیوان آب فرو کنید و سر دیگر آن را روی لبه لیوان آویزان کنید. آب از طریق منافذ پارچه مانند لوله های مویین شروع به بالا رفتن می کند و کل پارچه را خیس می کند. آب اضافی از انتهای آویزان می چکد (عکس 2 را ببینید).

اگر پارچه ای با رنگ روشن برای آزمایش بگیرید، عکس نحوه پخش شدن آب در پارچه را بسیار ضعیف نشان می دهد. همچنین به خاطر داشته باشید که همه پارچه ها آب اضافی از انتهای آویزان نخواهند داشت. من این آزمایش را دو بار انجام داده ام. اولین باری که از پارچه سبک (جنس نخی) استفاده کردیم. آب از انتهای آویزان بسیار خوب چکید. بار دوم از پارچه تیره (لباس بافتنی ساخته شده از الیاف مخلوط - پنبه و مصنوعی) استفاده کردند. به وضوح قابل مشاهده بود که چگونه آب روی پارچه پخش می شود، اما قطرات از انتهای آویزان نمی چکید.

بالا آمدن مایع از طریق مویرگ ها زمانی اتفاق می افتد که نیروهای جاذبه مولکول های مایع به یکدیگر کمتر از نیروهای جاذبه آنها به مولکول های جامد باشد. در این حالت گفته می شود که مایع جامد را خیس می کند.

اگر یک لوله نه چندان نازک بردارید، آن را با آب پر کنید و انتهای پایین لوله را با انگشت خود ببندید، می بینید که سطح آب در لوله مقعر است (شکل 9).

این نتیجه این واقعیت است که مولکول های آب به شدت به مولکول های دیواره رگ جذب می شوند تا به یکدیگر.

همه مایعات و در هیچ لوله ای به دیوارها نمی چسبند. همچنین اتفاق می افتد که مایع موجود در مویرگ در یک ظرف گسترده به زیر سطح می افتد، در حالی که سطح آن محدب است. به چنین مایعی گفته می شود که سطح یک جامد را خیس نمی کند. جذب مولکول های مایع به یکدیگر قوی تر از مولکول های دیواره رگ است. به عنوان مثال، جیوه در یک مویرگ شیشه ای رفتار می کند. (شکل 10)

نتیجه

بنابراین، در طول این کار، مطمئن شدم که:

1. پدیده های مویرگی نقش مهمی در طبیعت دارند.
2. بالا آمدن مایع در مویین تا زمانی ادامه می یابد که نیروی گرانش وارد بر ستون مایع در مویین از نظر قدر مطلق با نیروی حاصل برابر شود.
3. مایع مرطوب کننده در مویرگ ها بالا می رود و مایع خیس نمی شود پایین.
4. ارتفاع بالا آمدن مایع در مویرگ با کشش سطحی آن نسبت مستقیم و با شعاع کانال مویرگی و چگالی مایع نسبت معکوس دارد.

در میان فرآیندهایی که می توان با کمک کشش سطحی و خیس شدن مایعات توضیح داد، باید پدیده های مویرگی را برجسته کرد. فیزیک یک علم اسرارآمیز و خارق العاده است که بدون آن زندگی بر روی زمین غیرممکن است. بیایید بارزترین نمونه از این رشته مهم را بررسی کنیم.

در عمل زندگی، چنین فرآیندهایی که از نظر فیزیک جالب هستند، به عنوان پدیده های مویرگی، بسیار رایج هستند. مسئله این است که در زندگی روزمره ما توسط اجسام زیادی احاطه شده ایم که به راحتی مایعات را جذب می کنند. دلیل این امر ساختار متخلخل آنها و قوانین ابتدایی فیزیک است و نتیجه آن پدیده های مویرگی است.

لوله های باریک

مویرگ لوله بسیار باریکی است که در آن مایع رفتار خاصی دارد. نمونه های زیادی از چنین عروقی در طبیعت وجود دارد - مویرگ های سیستم گردش خون، اجسام متخلخل، خاک، گیاهان و غیره.

پدیده مویرگی بالا آمدن یا سقوط مایعات از طریق لوله های باریک است. چنین فرآیندهایی در کانال های طبیعی انسان، گیاهان و سایر اجسام و همچنین در ظروف شیشه ای باریک خاص مشاهده می شود. تصویر نشان می دهد که سطوح مختلف آب در لوله های ارتباطی با ضخامت های مختلف برقرار شده است. لازم به ذکر است که هرچه ظرف نازکتر باشد، سطح آب بالاتر است.

این پدیده ها زمینه ساز خواص جاذب حوله، تغذیه گیاهان، حرکت جوهر در طول میله و بسیاری از فرآیندهای دیگر هستند.

پدیده های مویرگی در طبیعت

فرآیندی که در بالا توضیح داده شد برای حفظ حیات گیاه بسیار مهم است. خاک کاملاً سست است، بین ذرات آن شکاف وجود دارد که یک شبکه مویرگی است. آب از طریق این کانال ها بالا می رود و سیستم ریشه گیاهان را با رطوبت و تمام مواد لازم تغذیه می کند.

از طریق همان مویرگ ها، مایع به طور فعال تبخیر می شود، بنابراین لازم است زمین شخم زده شود، که کانال ها را از بین می برد و مواد مغذی را حفظ می کند. برعکس، زمین فشرده رطوبت را سریعتر تبخیر می کند. این به دلیل اهمیت شخم زدن زمین برای حفظ سیال زیرزمینی است.

در گیاهان، سیستم مویرگی بالا رفتن رطوبت از ریشه های کوچک به قسمت های بالایی را تضمین می کند و از طریق برگ ها به محیط خارجی تبخیر می شود.

کشش سطحی و خیس شدن

مسئله رفتار مایعات در ظروف بر اساس فرآیندهای فیزیکی مانند کشش سطحی و خیس شدن است. پدیده های مویرگی ناشی از آنها در یک مجموعه بررسی می شود.

تحت تأثیر نیروی کشش سطحی، مایع مرطوب کننده در مویرگ ها بالاتر از سطحی است که طبق قانون رگ های ارتباطی باید در آن باشد. برعکس، یک ماده غیر مرطوب کننده در زیر این سطح قرار دارد.

بنابراین، آب در یک لوله شیشه ای (مایع مرطوب کننده) تا ارتفاع بیشتری بالا می رود و ظرف نازک تر می شود. در مقابل، جیوه در یک لوله شیشه ای (مایع غیر مرطوب) به پایین تر می افتد، این ظرف نازک تر است. علاوه بر این، همانطور که در تصویر نشان داده شده است، مایع مرطوب کننده یک شکل منیسک مقعر را تشکیل می دهد، در حالی که مایع غیر مرطوب یک شکل محدب را تشکیل می دهد.

خیس کردن

این پدیده ای است که در مرزی رخ می دهد که یک مایع با یک جامد (مایع دیگر، گازها) در تماس است. این به دلیل برهمکنش خاص مولکول ها در مرز تماس آنها ایجاد می شود.

خیس شدن کامل به این معنی است که قطره روی سطح جامد پخش می شود و خیس نشدن آن را به یک کره تبدیل می کند. در عمل، به جای گزینه های شدید، اغلب با یک درجه خیس شدن مواجه می شود.

نیروی کشش سطحی

سطح قطره شکل کروی دارد و دلیل آن قانون عمل بر مایعات - کشش سطحی است.

پدیده های مویرگی به این دلیل است که طرف مقعر مایع در لوله به دلیل نیروهای کشش سطحی تمایل به صاف شدن به حالت صاف دارد. این با این واقعیت همراه است که ذرات بیرونی اجسام زیر خود را به سمت بالا می کشند و ماده از لوله بالا می رود. با این حال، مایع موجود در مویرگ نمی تواند شکل صاف سطح را به خود بگیرد و این روند بالا آمدن تا نقطه تعادل خاصی ادامه می یابد. برای محاسبه ارتفاعی که یک ستون آب به آن بالا می رود (پایین می آید)، باید از فرمول هایی استفاده کنید که در زیر ارائه می شود.

محاسبه ارتفاع بالا آمدن ستون آب

لحظه توقف بالا آمدن آب در یک لوله باریک زمانی اتفاق می‌افتد که نیروی گرانش Р وزن ماده نیروی کشش سطحی F را متعادل می‌کند. این لحظه ارتفاع بالا آمدن مایع را تعیین می‌کند. پدیده های مویرگی توسط دو نیروی چند جهته ایجاد می شوند:

• نیروی گرانش رشته P باعث فرو رفتن مایع می شود.
• کشش سطحی F آب را به سمت بالا هل می دهد.

نیروی کشش سطحی که در امتداد دایره ای که مایع در تماس با دیواره های لوله است عمل می کند برابر است با:

جایی که r شعاع لوله است.

نیروی گرانش وارد بر مایع داخل لوله عبارت است از:

رشته P = ρπr2hg،

جایی که ρ چگالی مایع است. h ارتفاع ستون مایع در لوله است.

بنابراین، این ماده از بالا رفتن متوقف می شود، به شرطی که P سنگین \u003d F، به این معنی است

ρπr 2 hg = σ2πr،

بنابراین ارتفاع مایع در لوله برابر است با:

به طور مشابه برای یک مایع غیر مرطوب:

h ارتفاع افت ماده در لوله است. همانطور که از فرمول ها مشخص است، ارتفاعی که آب در یک ظرف باریک به آن می رسد (افت می کند) با شعاع ظرف و چگالی مایع نسبت معکوس دارد. این امر در مورد مایع مرطوب کننده و غیر مرطوب کننده صدق می کند. در شرایط دیگر باید اصلاحی برای شکل مینیسک انجام شود که در فصل بعدی ارائه خواهد شد.

فشار لاپلاس

همانطور که قبلاً اشاره شد، مایع در لوله های باریک به گونه ای رفتار می کند که فرد تصور می کند قانون کشتی های ارتباطی را نقض می کند. این واقعیت همیشه با پدیده های مویرگی همراه است. فیزیک این را با کمک فشار لاپلاسی توضیح می دهد که با یک مایع مرطوب کننده به سمت بالا هدایت می شود. با پایین آوردن یک لوله بسیار باریک در آب، مشاهده می کنیم که چگونه مایع به سطح مشخصی h کشیده می شود. طبق قانون کشتی های ارتباطی، باید با سطح آب خارجی تعادل برقرار می کرد.

این اختلاف با جهت فشار لاپلاسی p l توضیح داده می شود:

در این حالت به سمت بالا هدایت می شود. آب تا سطحی که با فشار هیدرواستاتیک pg ستون آب متعادل می شود به داخل لوله کشیده می شود:

و اگر p l \u003d p g ، می توانید دو بخش معادله را برابر کنید:

اکنون ارتفاع h به راحتی به عنوان یک فرمول استخراج می شود:

هنگامی که خیس شدن کامل شد، منیسک که سطح مقعر آب را تشکیل می دهد، به شکل نیمکره است که Ɵ=0 است. در این حالت شعاع کره R برابر با شعاع داخلی مویین r خواهد بود. از اینجا دریافت می کنیم:

و در مورد خیس شدن ناقص، وقتی Ɵ≠0، شعاع کره را می توان با فرمول محاسبه کرد:

سپس ارتفاع مورد نیاز با داشتن یک اصلاح برای زاویه برابر با:

h=(2σ/pqr)cos Ɵ .

از معادلات ارائه شده می توان دریافت که ارتفاع h با شعاع داخلی لوله r نسبت معکوس دارد. آب در رگ هایی به قطر موی انسان که مویرگ نامیده می شوند به بیشترین ارتفاع می رسد. همانطور که می دانید مایع مرطوب کننده کشیده می شود و مایع غیر مرطوب به سمت پایین رانده می شود.

یک آزمایش را می توان با گرفتن رگ های ارتباطی انجام داد، جایی که یکی از آنها پهن و دیگری بسیار باریک است. با ریختن آب در آن، می توان سطح متفاوتی از مایع را مشاهده کرد، و در نوع با ماده مرطوب کننده، سطح در یک لوله باریک بالاتر است و با یک غیر مرطوب - پایین تر.

اهمیت پدیده های مویرگی

بدون پدیده های مویرگی، وجود موجودات زنده به سادگی غیرممکن است. از طریق کوچکترین عروق است که بدن انسان اکسیژن و مواد مغذی را دریافت می کند. ریشه‌های گیاه شبکه‌ای از مویرگ‌ها هستند که رطوبت را از زمین به بالای برگ‌ها می‌کشند.

تمیز کردن ساده خانه بدون پدیده مویرگی غیرممکن است، زیرا طبق این اصل، پارچه آب را جذب می کند. حوله، جوهر، فتیله در چراغ نفتی و بسیاری از دستگاه ها بر این اساس کار می کنند. پدیده های مویرگی در فناوری نقش مهمی در خشک شدن اجسام متخلخل و سایر فرآیندها دارند.

گاهی اوقات همین پدیده ها عواقب نامطلوبی را به همراه دارد، به عنوان مثال، منافذ یک آجر رطوبت را جذب می کند. برای جلوگیری از رطوبت ساختمان ها تحت تأثیر آب های زیرزمینی، لازم است از فونداسیون با کمک مواد ضد آب - قیر، نمد سقف یا نمد سقف محافظت شود.

خیس کردن لباس ها در هنگام باران، مثلاً شلوار تا زانو از راه رفتن از میان گودال ها نیز به دلیل پدیده مویرگی است. نمونه های زیادی از این پدیده طبیعی در اطراف ما وجود دارد.

با رنگ ها آزمایش کنید

نمونه‌هایی از پدیده‌های مویرگی را می‌توان در طبیعت یافت، به‌ویژه وقتی صحبت از گیاهان می‌شود. تنه آنها دارای رگهای کوچک زیادی در داخل است. شما می توانید با رنگ آمیزی یک گل در هر رنگ روشن در نتیجه پدیده های مویرگی آزمایش کنید.

باید آب رنگ روشن و یک گل سفید (یا یک برگ کلم پکن، یک ساقه کرفس) بردارید و با این مایع در لیوانی بریزید. پس از مدتی، روی برگ های کلم پکن، می توانید نحوه حرکت رنگ را مشاهده کنید. رنگ گیاه با توجه به رنگی که در آن قرار می گیرد به تدریج تغییر می کند. این به دلیل حرکت ماده به سمت ساقه ها طبق قوانینی است که در این مقاله در نظر گرفته ایم.

سطح را در لوله ها، کانال های باریک با شکل دلخواه، بدنه های متخلخل تغییر دهید. بالا آمدن مایع زمانی اتفاق می‌افتد که کانال‌ها با مایعات خیس شوند، به عنوان مثال، آب در لوله‌های شیشه‌ای، ماسه، خاک و غیره. کاهش مایع در لوله‌ها و کانال‌هایی رخ می‌دهد که توسط مایع خیس نمی‌شوند، به عنوان مثال، جیوه در یک لوله شیشه ای.

بر اساس مویینگی، فعالیت حیاتی حیوانات و گیاهان، فناوری های شیمیایی و پدیده های روزمره استوار است (به عنوان مثال، بلند کردن نفت سفید در امتداد فتیله در یک چراغ نفتی، پاک کردن دست ها با حوله). مویینگی خاک با سرعت بالا رفتن آب در خاک تعیین می شود و به اندازه شکاف بین ذرات خاک بستگی دارد.

لوله های نازک مویرگ ها و همچنین نازک ترین رگ های بدن انسان و حیوانات دیگر نامیده می شوند (به مویرگ (زیست شناسی) مراجعه کنید).

همچنین ببینید

ادبیات

• Prokhorenko P. P. اثر مویرگی اولتراسونیک / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunov, G. E. Konovalov; اد. V. V. Klubovich. 135 ص. مینسک: علم و فناوری، 1981.

پیوندها

• گورین یو. V. فهرست اثرات و پدیده های فیزیکی برای استفاده در حل مسائل اختراعی (ابزار TRIZ) // فصل. 1.2 کشش سطحی مایعات. مویینگی.

بنیاد ویکی مدیا 2010 .

ببینید «کاپیلار (فیزیک)» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

کلمه مویرگی برای اشاره به لوله های بسیار باریکی استفاده می شود که مایع از آنها عبور می کند. برای جزئیات بیشتر به مقاله اثر مویرگی مراجعه کنید. مویرگی (زیست شناسی) کوچکترین نوع رگ خونی. مویرگ (فیزیک) مویرگی ... ... ویکی پدیا

معیار لاندو برای ابرسیالیت، نسبت بین انرژی ها و ممان تحریکات اولیه یک سیستم (فونون ها) است که امکان قرار گرفتن آن در حالت ابر سیال را تعیین می کند. مطالب 1 فرمول بندی معیار 2 اشتقاق معیار ... ویکی پدیا

سیستم های اسپلیت یونیت خارجی و کندانسور (برج خنک کننده فن) تجهیزات تبرید تجاری روی یک رک تجهیزات اقلیم و تبرید بر اساس عملکرد ماشین های تبرید ... ویکی پدیا

تغییر دمای گاز در نتیجه جریان آهسته آن تحت تأثیر افت فشار ثابت از طریق دریچه گاز، مانعی محلی برای جریان گاز (پارتیشن مویرگی، شیر یا متخلخل واقع در لوله در مسیر ... .. است. .

این یک مایع شفاف بی رنگ است که در فشار اتمسفر در دمای 4.2 کلوین (مایع 4He) می جوشد. چگالی هلیوم مایع در دمای 4.2 K 0.13 گرم بر سانتی متر مکعب است. ضریب شکست پایینی دارد، به دلیل ... ... ویکی پدیا

اثر فوران، ظهور اختلاف فشار Δp در یک مایع فوق سیال، به دلیل اختلاف دما ΔT (به Superfluidity مراجعه کنید). تی ای خود را در هلیوم فوق سیال مایع در تفاوت سطح مایع در دو رگ نشان می دهد، ... ... دایره المعارف بزرگ شوروی

هر یک از ما به راحتی می توانیم بسیاری از موادی را که به عنوان مایع در نظر می گیرد به یاد بیاوریم. با این حال، ارائه تعریف دقیق از این حالت ماده چندان آسان نیست، زیرا مایعات دارای چنان خواص فیزیکی هستند که از برخی جهات ... ... دایره المعارف کولیر

مویینگی (از موی لاتین مویرگ)، اثر مویرگی یک پدیده فیزیکی است که شامل توانایی مایعات برای تغییر سطح در لوله ها، کانال های باریک با شکل دلخواه، اجسام متخلخل است. افزایش مایعات در موارد ... ... ویکی پدیا رخ می دهد