Dukuritë kapilare, dukuri sipërfaqësore në ndërfaqen e një lëngu me një medium tjetër të lidhur me lakimin e sipërfaqes së tij. Lakimi i sipërfaqes së lëngshme në kufirin me fazën e gazit ndodh si rezultat i veprimit të tensionit sipërfaqësor të lëngut, i cili tenton të shkurtojë ndërfaqen dhe t'i japë vëllimit të kufizuar të lëngut një formë sferike. Meqenëse topi ka një sipërfaqe minimale për një vëllim të caktuar, kjo formë korrespondon me energjinë minimale të sipërfaqes së lëngut, d.m.th. gjendjen e tij të qëndrueshme të ekuilibrit. Në rastin e masave mjaft të mëdha të lëngut, efekti i tensionit sipërfaqësor kompensohet nga graviteti, kështu që një lëng me viskozitet të ulët shpejt merr formën e enës në të cilën derdhet dhe është i lirë. sipërfaqja duket pothuajse e sheshtë.
Në mungesë të gravitetit ose në rastin e masave shumë të vogla, lëngu merr gjithmonë një formë sferike (rënie), lakimi i sipërfaqes së së cilës përcaktohet nga shumësi. vetitë e materies. Prandaj, dukuritë kapilare shprehen qartë dhe luajnë një rol të rëndësishëm në kushtet e mungesës së peshës, gjatë shtypjes së lëngut në një mjedis të gaztë (ose atomizimit të gazit në një lëng) dhe formimit të sistemeve që përbëhen nga shumë pika ose flluska (emulsione, aerosole. , shkume), me shfaqjen e një faze të re të pikave të lëngshme gjatë kondensimit të avujve, flluskave të avullit gjatë zierjes, bërthamave të kristalizimit. Kur një lëng bie në kontakt me trupa të kondensuar (një lëng tjetër ose një i ngurtë), lakimi i ndërfaqes ndodh si rezultat i tensionit ndërfaqe.
Në rastin e lagështimit, për shembull, kur një lëng bie në kontakt me murin e ngurtë të një ene, forcat tërheqëse që veprojnë midis molekulave të lëndës së ngurtë dhe të lëngshme e bëjnë atë të ngrihet përgjatë murit të enës, si rezultat. nga të cilat pjesa e sipërfaqes së lëngut ngjitur me murin merr formë konkave. Në kanalet e ngushta, për shembull, kapilarët cilindrikë, formohet një menisk konkav - një sipërfaqe plotësisht e lakuar e lëngut (Fig. 1).
Oriz. 1. Ngritja kapilar në lartësi h lëng që lag muret e një kapilar me rreze r; q është këndi i kontaktit.
Presioni kapilar.
Meqenëse forcat e tensionit sipërfaqësor (ndërfaqësor) drejtohen në mënyrë tangjenciale në sipërfaqen e lëngut, lakimi i këtij të fundit çon në shfaqjen e një komponenti të drejtuar në vëllimin e lëngut. Si rezultat, lind presioni kapilar, vlera e të cilit Dp lidhet me rrezen mesatare të lakimit të sipërfaqes r 0 nga ekuacioni Laplace:
Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)
ku p 1 dhe p 2 - presioni në lëngun 1 dhe fazën fqinje 2 (gaz ose lëng), s 12 - tensioni sipërfaqësor (ndërfaqësor).
Nëse sipërfaqja e lëngut është konkave (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) shenja e Dp është e kundërt. Presioni negativ kapilar që ndodh kur muret e kapilarëve lagen nga lëngu çon në faktin se lëngu do të thithet në kapilar derisa pesha e kolonës së lëngshme të jetë e lartë. h nuk do të balancojë diferencën e presionit Dp. Në një gjendje ekuilibri, lartësia e ngritjes kapilar përcaktohet me formulën Jurin:
ku r 1 dhe r 2 janë dendësia e lëngut 1 dhe e mesme 2, g është nxitimi i gravitetit, r është rrezja e kapilarit, q është këndi i kontaktit. Për lëngjet që nuk lagin muret e kapilarëve, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
Nga shprehja (2) rrjedh përkufizimi i konstantës kapilar të lëngut A= 1/2. Ka dimensionin e gjatësisë dhe karakterizon dimensionin linear Z[A, në të cilat dukuritë kapilare bëhen domethënëse. Pra, për ujin në 20°C a = 0,38 cm Në gravitet të dobët (g: 0) vlera A rritet. Në zonën e kontaktit të grimcave, kondensimi kapilar çon në tkurrjen e grimcave nën veprimin e presionit të reduktuar Dp< 0.
ekuacioni i Kelvinit.
Lakimi i sipërfaqes së lëngshme çon në një ndryshim në presionin e ekuilibrit të avullit mbi të R krahasuar me presionin e avullit të ngopur ps mbi një sipërfaqe të sheshtë në të njëjtën temperaturë T. Këto ndryshime përshkruhen nga ekuacioni Kelvin:
ku është vëllimi molar i lëngut, R është konstanta e gazit. Ulja ose rritja e presionit të avullit varet nga shenja e lakimit të sipërfaqes: mbi sipërfaqet konvekse (r 0 > 0) p>ps; mbi konkave (r 0< 0) R< р s . . Kështu, mbi pikat rritet presioni i avullit; në flluska, përkundrazi, zvogëlohet.
Në bazë të ekuacionit të Kelvinit, mbushja e kapilarëve ose trupave poroz llogaritet në kondensimi kapilar. Që nga vlerat R janë të ndryshme për grimcat me përmasa të ndryshme ose për sipërfaqet e sipërfaqes që kanë zbehje dhe zgjatime, ekuacioni (3) përcakton edhe drejtimin e transferimit të materies gjatë kalimit të sistemit në një gjendje ekuilibri. Kjo çon, veçanërisht, në faktin se pika ose grimca relativisht të mëdha rriten për shkak të avullimit (shpërbërjes) të atyre më të vogla, dhe parregullsitë sipërfaqësore të trupave jo kristalorë zbuten për shkak të shpërbërjes së zgjatjeve dhe shërimit të depresioneve. Ndryshime të dukshme në presionin e avullit dhe tretshmërinë ndodhin vetëm në r 0 mjaft të vogël (për ujin, për shembull, në r 0. Prandaj, ekuacioni Kelvin shpesh përdoret për të karakterizuar gjendjen e sistemeve koloidale dhe trupave porozë dhe proceset në to.
Oriz. 2. Lëvizja e lëngut në një gjatësi l në një kapilar me rreze r; q - këndi i kontaktit.
Impregnimi kapilar.
Një rënie e presionit nën meniskun konkavë është një nga arsyet e lëvizjes kapilar të lëngut drejt meniskut me një rreze më të vogël lakimi. Një rast i veçantë i kësaj është impregnimi i trupave poroz - thithja spontane e lëngjeve në poret dhe kapilarët liofilike (Fig. 2). Shpejtësia v Lëvizja e meniskut në një kapilar të vendosur horizontalisht (ose në një kapilar vertikal shumë të hollë, kur ndikimi i gravitetit është i vogël) përcaktohet nga ekuacioni Poiseuille:
Ku l- gjatësia e seksionit të lëngut të zhytur, h - viskoziteti i tij, Dp - rënia e presionit në seksion l, e barabartë me presionin kapilar të meniskut: Dp = - 2s 12 cos q/r. Nëse këndi i kontaktit q nuk varet nga shpejtësia v, mund të llogarisni sasinë e lëngut të përthithur me kalimin e kohës t nga raporti:
l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Nëse q është një funksion v, Kjo l Dhe v janë të lidhura me varësi më komplekse.
Ekuacionet (4) dhe (5) përdoren për të llogaritur shkallën e ngopjes gjatë trajtimit të drurit me antiseptikë, ngjyrosjes së pëlhurave, aplikimit të katalizatorëve në media poroze, kullimit dhe nxjerrjes me difuzion të përbërësve të vlefshëm të shkëmbinjve, etj. Për të përshpejtuar impregnimin, surfaktantët janë shpesh përdoren që përmirësojnë lagështimin duke reduktuar këndin e kontaktit q. Një nga opsionet për impregnimin kapilar është zhvendosja e një lëngu nga një medium poroz nga një tjetër, i cili nuk përzihet me të parën dhe lag më mirë sipërfaqen e poreve. Kjo është baza, për shembull, e metodave për nxjerrjen e vajit të mbetur nga rezervuarët me solucione ujore të surfaktantëve dhe metodat e porozometrisë së merkurit. Thithja kapilare në poret e tretësirave dhe zhvendosja e lëngjeve të papërziershme nga poret, e shoqëruar me adsorbimin dhe difuzionin e përbërësve, konsiderohen nga hidrodinamika fiziko-kimike.
Përveç gjendjeve të ekuilibrit të përshkruar të një lëngu dhe lëvizjes së tij në pore dhe kapilarë, fenomenet kapilare përfshijnë gjithashtu gjendje ekuilibri të vëllimeve shumë të vogla të lëngut, veçanërisht shtresave dhe filmave të hollë. Këto dukuri kapilare shpesh quhen dukuri kapilare të tipit II. Ato karakterizohen, për shembull, nga varësia e tensionit sipërfaqësor të lëngut nga rrezja e pikave dhe tensioni linear. Dukuritë kapilare u studiuan për herë të parë nga Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (shek. XVII) dhe J. Jurin (shek. XVIII) në eksperimentet me tuba kapilar. Teoria e dukurive kapilare u zhvillua në veprat e P. Laplace (1806), T. Young (1804), A. Yu. Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886). Zhvillimi i teorisë së fenomeneve kapilar të llojit të dytë filloi me veprat e B.V. Deryagin dhe L.M. Shcherbakov.
Kur laget, ndodh lakimi i sipërfaqes, duke ndryshuar vetitë e shtresës sipërfaqësore. Ekzistenca e tepërt e energjisë së lirë në një sipërfaqe të lakuar çon në të ashtuquajturat fenomene kapilare - shumë unike dhe të rëndësishme.
Le të kryejmë fillimisht një ekzaminim cilësor duke përdorur shembullin e një flluskë sapuni. Nëse hapim fundin e tubit në procesin e fryrjes së një flluskë, do të shohim që flluska e vendosur në fund të saj do të zvogëlohet në madhësi dhe do të tërhiqet në tub. Meqenëse ajri nga skaji i hapur komunikonte me atmosferën, për të ruajtur gjendjen e ekuilibrit të flluskës së sapunit, ishte e nevojshme që presioni brenda të ishte më i madh se jashtë. Nëse e lidhni tubin me një monometër, atëherë mbi të regjistrohet një ndryshim i caktuar i nivelit - presioni i tepërt DP në fazën vëllimore të gazit në anën konkave të sipërfaqes së flluskës.
Le të vendosim një marrëdhënie sasiore midis DP dhe rrezes së lakimit të sipërfaqes 1/r midis dy fazave vëllimore që janë në gjendje ekuilibri dhe të ndara nga një sipërfaqe sferike. (për shembull, një flluskë gazi në një lëng ose një pikë lëngu në fazën e avullit). Për ta bërë këtë, ne përdorim shprehjen e përgjithshme termodinamike për energjinë e lirë nën kushtin T = konst dhe mungesën e transferimit të lëndës nga një fazë në tjetrën dn i = 0. Në një gjendje ekuilibri, ndryshimet në sipërfaqen ds dhe vëllimin dV janë të mundshme. Le të rritet V me dV dhe s me ds. Pastaj:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
Në ekuilibër, dF = 0. Duke marrë parasysh faktin se dV 1 = dV 2, gjejmë:
P 1 - P 2 = s ds/dV.
Pra P 1 > P 2 . Duke marrë parasysh se V 1 = 4/3 p r 3, ku r është rrezja e lakimit, marrim:
Zëvendësimi jep ekuacionin e Laplace:
P 1 - P 2 = 2s/r. (1)
Në një rast më të përgjithshëm, për një elipsoid revolucioni me rreze kryesore të lakimit r 1 dhe r 2, formulohet ligji i Laplace:
P 1 - P 2 = s / (1 / R 1 - 1 / R 2).
Për r 1 = r 2 marrim (1), për r 1 = r 2 = ¥ (rrafsh) P 1 = P 2 .
Diferenca DP quhet presion kapilar. Le të shqyrtojmë kuptimin fizik dhe pasojat e ligjit të Laplasit, i cili është baza e teorive të dukurive kapilare.Ekuacioni tregon se diferenca e presionit në fazat e masës rritet me rritjen e s dhe me zvogëlimin e rrezes së lakimit. Kështu, sa më i lartë të jetë shpërndarja, aq më i madh është presioni i brendshëm i një lëngu me një sipërfaqe sferike. Për shembull, për një pikë uji në fazën e avullit në r = 10 -5 cm, DP = 2. 73. 10 5 dynes/cm 2 » 15 at. Kështu, presioni brenda rënies në krahasim me avullin është 15 atm më i lartë se në fazën e avullit. Duhet mbajtur mend se, pavarësisht nga gjendja e grumbullimit të fazave, në një gjendje ekuilibri, presioni në anën konkave të sipërfaqes është gjithmonë më i madh se në anën konvekse.Uranium ofron bazën për matjen eksperimentale të s duke përdorur metodën e presionit maksimal të flluskës. Një nga pasojat më të rëndësishme të ekzistencës së presionit kapilar është ngritja e lëngut në kapilar.
Fenomenet kapilare vërehen në lëngje që përmbajnë
Në enët e ngushta në të cilat distanca midis mureve është në përpjesëtim me rrezen e lakimit të sipërfaqes së lëngshme. Lakimi ndodh si rezultat i ndërveprimit të lëngut me muret e enës. Sjellja specifike e një lëngu në enët kapilare varet nëse lëngu i lag apo jo muret e enës, më saktë nga vlera e këndit të kontaktit.
Le të shqyrtojmë pozicionin e niveleve të lëngut në dy kapilarë, njëri prej të cilëve ka një sipërfaqe liofilike dhe për këtë arsye muret e tij janë të lagura, dhe tjetri ka një sipërfaqe liofobike dhe nuk është i lagur. Në kapilarin e parë sipërfaqja ka lakim negativ. Presioni shtesë Laplace tenton të zgjasë lëngun. (presioni drejtohet drejt qendrës së lakimit). Presioni nën sipërfaqe është më i ulët se presioni në sipërfaqen e sheshtë. Si rezultat, lind një forcë lëvizëse, duke ngritur lëngun në kapilar derisa pesha e kolonës të balancojë forcën vepruese.Në kapilarin e dytë, lakimi i sipërfaqes është pozitiv, presioni shtesë drejtohet në lëng, si rezultat , lëngu në kapilar zbret.
Në ekuilibër, presioni Laplace është i barabartë me presionin hidrostatik të një kolone të lëngshme me lartësi h:
DP = ± 2s/r = (r - r o) gh, ku r, r o janë dendësia e fazës së lëngët dhe gazit, g është nxitimi i gravitetit, r është rrezja e meniskut.
Për të lidhur lartësinë e ngritjes kapilar me karakteristikën e lagështimit, rrezja e meniskut do të shprehet në këndin e lagështimit Q dhe rrezes kapilar r 0. Është e qartë se r 0 = r cosQ, lartësia e ngritja kapilar do të shprehet në formën (formula e Jurin):
h = 2sсosQ / r 0 (r - r 0)g
Në mungesë të lagështimit 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.
Ngritja kapilar e lëngjeve shpjegon një sërë fenomenesh dhe procesesh të njohura: ngopja e letrës dhe e pëlhurave shkaktohet nga ngritja kapilar e lëngut në pore. Hidroizolimi i pëlhurave sigurohet nga hidrofobia e tyre - pasojë e rritjes negative të kapilarëve. Ngritja e ujit nga toka ndodh për shkak të strukturës së tokës dhe siguron ekzistencën e vegjetacionit të tokës, ngritja e ujit nga toka përgjatë trungjeve të bimëve ndodh për shkak të strukturës fibroze të drurit, procesit të qarkullimit të gjakut. në enët e gjakut, rritja e lagështirës në muret e ndërtesës (shtrohet hidroizolim) etj.
Reaktiviteti termodinamik (t.r.s.).
Karakterizon aftësinë e një substance për t'u shndërruar në një gjendje tjetër, për shembull në një fazë tjetër, ose për të hyrë në një reaksion kimik. Ai tregon distancën e një sistemi të caktuar nga gjendja e ekuilibrit në kushte të dhëna. T.r.s. përcaktohet nga afiniteti kimik, i cili mund të shprehet nga një ndryshim në energjinë e Gibbs ose një ndryshim në potencialet kimike.
R.s varet nga shkalla e dispersionit të substancës. Një ndryshim në shkallën e shpërndarjes mund të çojë në një zhvendosje të ekuilibrit fazor ose kimik.
Rritja përkatëse në energjinë Gibbs dG d (për shkak të një ndryshimi në dispersion) mund të përfaqësohet si një ekuacion i kombinuar i ligjit të parë dhe të dytë të termodinamikës: dG d = -S dT + V dp
Për një substancë individuale V =V mol dhe në T = konst kemi: dG d = V mol dp ose DG d = V mol Dp
Duke zëvendësuar relacionin Laplace në këtë ekuacion, marrim dG d = s V mol ds/dV
për lakimin sferik: dG d =±2 s V mol /r (3)
Ekuacionet tregojnë se rritja e reaktivitetit për shkak të një ndryshimi në dispersion është proporcionale me lakimin e sipërfaqes, ose shpërndarjen.
Nëse merret parasysh kalimi i një lënde nga faza e kondensuar në fazën e gaztë, atëherë energjia Gibbs mund të shprehet në termat e presionit të avullit, duke e marrë atë si ideale. Pastaj ndryshimi shtesë në energjinë e Gibbs-it i lidhur me ndryshimin në dispersion është:
dG d = RT ln (p d / p s) (4), ku p d dhe p s janë presioni i avullit të ngopur mbi sipërfaqet e lakuara dhe të sheshta.
Duke zëvendësuar (4) në (3) marrim: ln (p d / p s) = ±2 s V mol / RT r
Marrëdhënia quhet ekuacioni Kelvin-Thomson. Nga ky ekuacion del se me lakim pozitiv, presioni i avullit të ngopur mbi një sipërfaqe të lakuar do të jetë më i madh, aq më i madh është lakimi, d.m.th. rreze më e vogël e rënies. Për shembull, për një pikë uji me një rreze r = 10 -5 cm (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, d.m.th. 1%. Kjo pasojë e ligjit Kelvin-Thomson na lejon të parashikojmë fenomenin e distilimit izotremik, i cili konsiston në avullimin e pikave më të vogla dhe kondensimin e avullit në pika më të mëdha dhe në një sipërfaqe të sheshtë.
Me lakimin negativ, i cili ndodh në kapilarët gjatë lagështimit, përftohet një marrëdhënie e kundërt: presioni i avullit të ngopur mbi sipërfaqen e lakuar (mbi rënie) zvogëlohet me rritjen e lakimit (me zvogëlimin e rrezes kapilar). Kështu, nëse një lëng lag një kapilar, atëherë kondensimi i avujve në kapilar ndodh me presion më të ulët sesa në një sipërfaqe të sheshtë. Kjo është arsyeja pse ekuacionet e Kelvinit shpesh quhen ekuacioni i kondensimit kapilar.
Le të shqyrtojmë efektin e dispersionit të grimcave në tretshmërinë e tyre. Duke marrë parasysh që ndryshimi në energjinë Gibbs shprehet përmes tretshmërisë së një substance në gjendje të ndryshme të shpërndara të ngjashme me relacionin (4), marrim për jo-elektrolitet:
ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r ku c d dhe c a janë tretshmëria e substancës në një gjendje shumë të shpërndarë dhe tretshmëria në ekuilibër me grimcat e mëdha të kësaj substance
Për një elektrolit që shpërndahet në n jone në tretësirë, mund të shkruajmë (duke neglizhuar koeficientët e aktivitetit):
ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol /RT r, ku a d dhe a s janë aktivitetet e elektrolitit në tretësirat e ngopura në lidhje me gjendjen shumë të shpërndarë dhe të shpërndarë në mënyrë të trashë. Ekuacionet tregojnë se me rritjen e dispersionit, tretshmëria rritet ose potenciali kimik i grimcave të një sistemi të shpërndarë është më i madh se ai i një grimce të madhe me 2 s V mol/r. Në të njëjtën kohë, tretshmëria varet nga shenja e lakimit të sipërfaqes, që do të thotë se nëse grimcat e një trupi të ngurtë kanë një formë të parregullt me lakim pozitiv dhe negativ dhe janë në një tretësirë të ngopur, atëherë zonat me lakim pozitiv do të treten, dhe zonat me lakim negativ do të rritet. Si rezultat, grimcat e substancës së tretshme fitojnë me kalimin e kohës një formë krejtësisht të caktuar që korrespondon me gjendjen e ekuilibrit.
Shkalla e dispersitetit mund të ndikojë gjithashtu në ekuilibrin e një reaksioni kimik: - DG 0 d = RT ln (K d / K), ku DG 0 d është rritja e afinitetit kimik për shkak të dispersitetit, K d dhe K janë konstantet e ekuilibrit të reaksioneve që përfshijnë substanca të shpërndara dhe jo të shpërndara.
Me rritjen e shpërndarjes, aktiviteti i përbërësve rritet, dhe në përputhje me këtë, konstanta e ekuilibrit kimik ndryshon në një drejtim ose në një tjetër, në varësi të shkallës së shpërndarjes së substancave fillestare dhe produkteve të reaksionit. Për shembull, për reaksionin e dekompozimit të karbonatit të kalciumit: CaCO 3 « CaO + CO 2
Një rritje në shpërndarjen e karbonatit fillestar të kalciumit e zhvendos ekuilibrin në të djathtë dhe presioni i dioksidit të karbonit mbi sistem rritet. Rritja e shpërndarjes së oksidit të kalciumit çon në rezultatin e kundërt.
Për të njëjtën arsye, me rritjen e shpërndarjes, lidhja midis ujit të kristalizimit dhe substancës dobësohet. Pra, një makrokristal i Al 2 O 3. 3 H 2 O heq dorë nga uji në 473 K, ndërsa në një precipitat grimcash me përmasa koloidale, hidrati kristalor zbërthehet në 373 K. Ari nuk ndërvepron me acidin klorhidrik dhe ari koloidal tretet në të. Squfuri i shpërndarë në mënyrë të trashë nuk reagon dukshëm me kripërat e argjendit, dhe squfuri koloidal formon sulfid argjendi.
Kujdes! Administrata e faqes nuk është përgjegjëse për përmbajtjen e zhvillimeve metodologjike, si dhe për përputhjen e zhvillimit me Standardin Federal të Arsimit të Shtetit.
- Pjesëmarrës: Nikolaev Vladimir Sergeevich
- Drejtues: Suleymanova Alfiya Sayfullovna
Prezantimi
Në epokën tonë të teknologjisë së lartë, shkencat natyrore po bëhen gjithnjë e më të rëndësishme në jetën e njerëzve. Njerëzit e shekullit të 21-të prodhojnë kompjuterë super-efikas, telefona inteligjentë dhe studiojnë botën përreth nesh gjithnjë e më thellë. Mendoj se njerëzit po përgatiten për një revolucion të ri shkencor dhe teknologjik që do të ndryshojë rrënjësisht të ardhmen tonë. Por askush nuk e di se kur do të ndodhin këto ndryshime. Secili person mund ta afrojë këtë ditë me punën e tij.
Kjo punë kërkimore është kontributi im i vogël në zhvillimin e fizikës.
Kjo punë kërkimore i kushtohet temës aktuale aktuale "Dukuritë kapilare". Në jetë, shpesh kemi të bëjmë me trupa të depërtuar nga shumë kanale të vogla (letër, fije, lëkurë, materiale të ndryshme ndërtimi, tokë, dru). Kur trupa të tillë bien në kontakt me ujë ose lëngje të tjera, ata shpesh i thithin ato. Ky projekt tregon rëndësinë e kapilarëve në jetën e organizmave të gjallë dhe jo të gjallë.
Qëllimi i punës kërkimore: të vërtetojë nga pikëpamja e fizikës arsyen e lëvizjes së lëngut nëpër kapilarët, të identifikojë veçoritë e fenomeneve kapilar.
Objekti i studimit: vetia e lëngjeve, kur thithen, të ngrihen ose të bien përmes kapilarëve.
Lënda e hulumtimit: dukuritë kapilare në natyrën e gjallë dhe të pajetë.
- Studimi i materialit teorik për vetitë e lëngjeve.
- Njihuni me materialin mbi dukuritë kapilare.
- Kryeni një sërë eksperimentesh për të gjetur arsyen e rritjes së lëngut në kapilarë.
- Përmblidhni materialin e studiuar gjatë punës dhe formuloni një përfundim.
Përpara se të kalojmë në studimin e dukurive kapilare, është e nevojshme të njihemi me vetitë e lëngut, të cilat luajnë një rol të rëndësishëm në fenomenet kapilar.
Tensioni sipërfaqësor
Vetë termi "tension sipërfaqësor" nënkupton që substanca në sipërfaqe është në një "tension", domethënë në një gjendje të stresuar, e cila shpjegohet me veprimin e një force të quajtur presion i brendshëm. Ai tërheq molekulat brenda lëngut në një drejtim pingul me sipërfaqen e tij. Kështu, molekulat e vendosura në shtresat e brendshme të një substance përjetojnë, mesatarisht, tërheqje të barabartë në të gjitha drejtimet nga molekulat përreth; molekulat e shtresës sipërfaqësore i nënshtrohen tërheqjes së pabarabartë nga shtresat e brendshme të substancave dhe nga ana që kufizohet me shtresën sipërfaqësore të mediumit. Për shembull, në ndërfaqen lëng-ajër, molekulat e lëngshme të vendosura në shtresën sipërfaqësore tërhiqen më fort nga molekulat fqinje të shtresave të brendshme të lëngut sesa nga molekulat e ajrit. Kjo është arsyeja për ndryshimin midis vetive të shtresës sipërfaqësore të një lëngu dhe vetive të vëllimeve të tij të brendshme.
Presioni i brendshëm bën që molekulat e vendosura në sipërfaqen e lëngut të tërhiqen nga brenda dhe në këtë mënyrë tenton të zvogëlojë sipërfaqen në minimum në kushte të caktuara. Forca që vepron për njësi të gjatësisë së ndërfaqes, duke shkaktuar tkurrjen e sipërfaqes së lëngshme, quhet forca e tensionit sipërfaqësor ose thjesht tensioni sipërfaqësor σ.
Tensioni sipërfaqësor i lëngjeve të ndryshme nuk është i njëjtë; varet nga vëllimi i tyre molar, nga polariteti i molekulave, nga aftësia e molekulave për të krijuar lidhje hidrogjeni me njëra-tjetrën, etj.
Me rritjen e temperaturës, tensioni sipërfaqësor zvogëlohet në mënyrë lineare. Tensioni sipërfaqësor i një lëngu ndikohet gjithashtu nga papastërtitë në të. Substancat që dobësojnë tensionin sipërfaqësor quhen surfaktantë (surfaktantë). Në lidhje me ujin, surfaktantët janë produktet e naftës, alkoolet, eteri, sapuni dhe substanca të tjera të lëngshme dhe të ngurta. Disa substanca rrisin tensionin sipërfaqësor. Papastërtitë e kripërave dhe sheqerit, për shembull.
Shpjegimin për këtë e jep MKT. Nëse forcat e tërheqjes ndërmjet molekulave të vetë lëngut janë më të mëdha se forcat e tërheqjes ndërmjet molekulave të surfaktantit dhe lëngut, atëherë molekulat e lëngut lëvizin nga shtresa sipërfaqësore përbrenda dhe molekulat e surfaktantit detyrohen të dalin jashtë. siperfaqja. Natyrisht, molekulat e kripës dhe sheqerit do të tërhiqen në lëng, dhe molekulat e ujit do të detyrohen në sipërfaqe. Kështu, tensioni sipërfaqësor - koncepti bazë i fizikës dhe kimisë së fenomeneve sipërfaqësore - është një nga karakteristikat më të rëndësishme në aspektin praktik. Duhet theksuar se çdo kërkim serioz shkencor në fushën e fizikës së sistemeve heterogjene kërkon matjen e tensionit sipërfaqësor. Historia e metodave eksperimentale për përcaktimin e tensionit sipërfaqësor, që daton më shumë se dy shekuj, ka evoluar nga metoda të thjeshta dhe të papërpunuara në teknika precize që lejojnë përcaktimin e tensionit sipërfaqësor me një saktësi prej të qindtave të përqindjes. Interesi për këtë problem është rritur veçanërisht në dekadat e fundit në lidhje me hyrjen e njeriut në hapësirë dhe zhvillimin e konstruksionit industrial, ku forcat kapilare në pajisje të ndryshme shpesh luajnë një rol vendimtar.
Një metodë e tillë për përcaktimin e tensionit sipërfaqësor bazohet në ngritjen e një lëngu lagësht midis dy pllakave të qelqit. Ato duhet të ulen në një enë me ujë dhe gradualisht të afrohen paralelisht me njëri-tjetrin. Uji do të fillojë të rritet midis pllakave - ai do të tërhiqet nga forca e tensionit sipërfaqësor, e cila u përmend më lart. Është e lehtë të llogaritet koeficienti i tensionit sipërfaqësor σ nga lartësia e ngritjes së ujit y dhe hendeku midis pllakave d.
Forca e tensionit sipërfaqësor F= 2σ L, Ku L– gjatësia e pllakës (të dyja u shfaqën për faktin se uji bie në kontakt me të dy pllakat). Kjo forcë mban shtresën e masës së ujit m = ρ Ldu, ku ρ është dendësia e ujit. Kështu, 2σ L = ρ Ldуg. Nga këtu mund të gjeni koeficientin e tensionit sipërfaqësor σ = 1/2(ρ gdu). (1) Por është më interesante ta bëni këtë: shtypni pllakat së bashku në njërën skaj dhe lini një boshllëk të vogël në anën tjetër.
Uji do të ngrihet dhe do të formojë një sipërfaqe çuditërisht të rregullt midis pllakave. Një pjesë e kësaj sipërfaqeje nga një plan vertikal është një hiperbolë. Për ta vërtetuar atë, mjafton të zëvendësohet në formulën (1) në vend të d një shprehje e re për boshllëkun në një vend të caktuar. Nga ngjashmëria e trekëndëshave përkatës (shih Fig. 2) d = D (x/L). Këtu D- boshllëk në fund, L– është ende gjatësia e pjatës, dhe x– distanca nga pika e kontaktit të pllakave deri në vendin ku përcaktohet hendeku dhe lartësia e nivelit. Kështu, σ = 1/2(ρ gу)D(x/L), ose në= 2σ L/ρ gD(1/ X). (2) Ekuacioni (2) është me të vërtetë një ekuacion hiperbolë.
Të lagur dhe jo të lagur
Për një studim të hollësishëm të dukurive kapilare, është e nevojshme të merren parasysh disa dukuri molekulare që gjenden në kufirin trefazor të bashkëjetesës së fazave të ngurta, të lëngëta, të gazta, në veçanti, merret parasysh kontakti i një lëngu me një trup të ngurtë. . Nëse forcat ngjitëse midis molekulave të një lëngu janë më të mëdha se midis molekulave të një trupi të ngurtë, atëherë lëngu tenton të zvogëlojë kufirin (zonën) e kontaktit të tij me trupin e ngurtë, duke u tërhequr prej tij nëse është e mundur. Një pikë e lëngut të tillë në një sipërfaqe horizontale të një trupi të ngurtë do të marrë formën e një topi të rrafshuar. Në këtë rast, lëngu quhet jo lagësht i lëndës së ngurtë. Këndi θ i formuar nga sipërfaqja e lëndës së ngurtë dhe tangjentja me sipërfaqen e lëngut quhet kënd i skajit. Për pa lagësht θ > 90°. Në këtë rast, një sipërfaqe e ngurtë që nuk laget nga një lëng quhet hidrofobike ose oleofile. Nëse forcat e ngjitjes ndërmjet molekulave të lëngut janë më të vogla se ndërmjet molekulave të lëngut dhe të ngurtës, atëherë lëngu tenton të rrisë kufirin e kontaktit me lëndën e ngurtë. Në këtë rast, lëngu quhet lagja e lëndës së ngurtë; këndi i kontaktit 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.
Lagshmëria dhe moslagshmëria janë koncepte relative: një lëng që lag një trup të ngurtë nuk mund të lagojë një trup tjetër. Për shembull, uji lag xhamin, por nuk lag parafinën; merkuri nuk lag xhamin, por lag bakrin.
Lagja zakonisht interpretohet si rezultat i forcave të tensionit sipërfaqësor. Le të jetë tensioni sipërfaqësor në kufirin ajër-lëng σ 1,2, në kufirin lëng-ngurtë σ 1,3 dhe në kufirin ajër-ngurtë σ 2,3.
Tre forca veprojnë për njësi të gjatësisë së perimetrit të lagështimit, numerikisht të barabarta me σ 1.2, σ 2.3, σ 1.3, të drejtuara në mënyrë tangjenciale në ndërfaqet përkatëse. Në rastin e ekuilibrit, të gjitha forcat duhet të balancojnë njëra-tjetrën. Forcat σ 2.3 dhe σ 1.3 veprojnë në rrafshin e sipërfaqes së një trupi të fortë, forca σ 1.2 drejtohet drejt sipërfaqes në një kënd θ.
Gjendja e ekuilibrit të sipërfaqeve ndërfazore ka këtë formë: σ 2,3 = σ 1,3 + σ 1,2cosθ ose cosθ =(σ 2,3 − σ1,3)/σ 1,2
Vlera e cosθ zakonisht quhet lagështim dhe shënohet me shkronjën B.
Gjendja e sipërfaqes ka një ndikim të caktuar në njomjen. Lagshmëria ndryshon në mënyrë dramatike edhe në prani të një shtrese monomolekulare të hidrokarbureve. Këto të fundit janë gjithmonë të pranishme në atmosferë në sasi të mjaftueshme. Mikrorelievi i sipërfaqes gjithashtu ka një ndikim të caktuar në njomjen. Sidoqoftë, deri më sot, nuk është identifikuar ende një model i unifikuar i ndikimit të vrazhdësisë së çdo sipërfaqe në lagjen e saj nga ndonjë lëng. Për shembull, ekuacioni Wenzel-Deryagin cosθ = x cosθ0 lidh këndet e kontaktit të lëngut në sipërfaqe të përafërt (θ) dhe të lëmuara (θ 0) me raportin x të sipërfaqes së sipërfaqes së vërtetë të trupit të përafërt me projeksionin e tij në plan. Megjithatë, në praktikë ky ekuacion nuk ndiqet gjithmonë. Kështu, sipas këtij ekuacioni, në rastin e lagështimit (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 - në rritjen e tij (d.m.th. në një hidrofobicitet më të madh). Bazuar në këtë, zakonisht jepen informacione për efektin e vrazhdësisë në lagështim.
Sipas shumë autorëve, shpejtësia e përhapjes së lëngut në një sipërfaqe të përafërt është më e ulët për faktin se lëngu, kur përhapet, përjeton ndikimin vonues të gungave (kreshtave) të vrazhdësisë. Duhet të theksohet se është shkalla e ndryshimit të diametrit të njollës, e formuar nga një pikë lëngu e dozuar rreptësisht e aplikuar në një sipërfaqe të pastër të materialit që përdoret si karakteristika kryesore e njomjes në kapilarë. Vlera e tij varet si nga fenomenet sipërfaqësore ashtu edhe nga viskoziteti i lëngut, dendësia dhe paqëndrueshmëria e tij.
Natyrisht, një lëng më viskoz me veti të tjera identike kërkon më shumë kohë për t'u përhapur në sipërfaqe dhe për këtë arsye rrjedh më ngadalë nëpër kanalin kapilar.
Dukuritë kapilare
Fenomene kapilare, një grup dukurish të shkaktuara nga tensioni sipërfaqësor në ndërfaqen e mediave të papërziershme (në sistemet lëng-lëng, lëng-gaz ose avull) në prani të lakimit të sipërfaqes. Një rast i veçantë i dukurive sipërfaqësore.
Pasi të keni studiuar në detaje forcat që qëndrojnë në themel të fenomeneve kapilar, ia vlen të kaloni drejtpërdrejt në kapilarët. Kështu, eksperimentalisht mund të vërehet se një lëng lagësht (për shembull, uji në një tub qelqi) ngrihet përmes kapilarit. Për më tepër, sa më e vogël të jetë rrezja e kapilarit, aq më e madhe është lartësia e lëngut në të. Një lëng që nuk lag muret e kapilarit (për shembull, merkuri në një tub qelqi) bie nën nivelin e lëngut në një enë të gjerë. Pra, pse lëngu lagësht ngrihet lart në kapilar dhe lëngu jo lagësht zbret?
Nuk është e vështirë të vërehet se drejtpërdrejt në muret e enës sipërfaqja e lëngut është disi e lakuar. Nëse molekulat e një lëngu në kontakt me murin e një ene ndërveprojnë me molekulat e trupit të ngurtë më fort sesa me njëra-tjetrën, në këtë rast lëngu tenton të rrisë zonën e kontaktit me trupin e ngurtë ( lëng lagur). Në këtë rast, sipërfaqja e lëngut përkulet poshtë dhe thuhet se lag muret e enës në të cilën ndodhet. Nëse molekulat e lëngut ndërveprojnë me njëra-tjetrën më fort se sa me molekulat e mureve të enës, atëherë lëngu tenton të zvogëlojë zonën e kontaktit me trupin e ngurtë, sipërfaqja e tij lakohet lart. Në këtë rast, flasim për mos lagjen e mureve të enëve nga lëngu.
Në tubat e ngushtë, diametri i të cilave është një pjesë e milimetrit, skajet e lakuara të lëngut mbulojnë të gjithë shtresën sipërfaqësore, dhe e gjithë sipërfaqja e lëngut në tuba të tillë ka një pamje që i ngjan një hemisfere. Ky është i ashtuquajturi menisk. Ajo mund të jetë konkave, e cila vërehet në rastin e lagështimit dhe konveks në rastin e mosnjohjes. Rrezja e lakimit të sipërfaqes së lëngshme është e të njëjtit rend si rrezja e tubit. Dukuritë e njomjes dhe mosnjohjes në këtë rast karakterizohen edhe nga këndi i kontaktit θ ndërmjet sipërfaqes së lagur të tubit kapilar dhe meniskut në pikat e kontaktit të tyre.
Nën një menisk konkav të një lëngu lagur, presioni është më i vogël se nën një sipërfaqe të sheshtë. Prandaj, lëngu në një tub të ngushtë (kapilar) rritet derisa presioni hidrostatik i lëngut të ngritur në kapilar në nivelin e një sipërfaqe të sheshtë kompenson diferencën e presionit. Nën meniskun konveks të lëngut që nuk laget, presioni është më i madh se nën sipërfaqen e sheshtë, dhe kjo çon në fundosjen e lëngut që nuk laget.
Prania e forcave të tensionit sipërfaqësor dhe lakimi i sipërfaqes së lëngshme në një tub kapilar është përgjegjës për presionin shtesë nën sipërfaqen e lakuar, të quajtur presion Laplace: ∆ fq= ± 2σ / R.
Shenja e presionit kapilar ("plus" ose "minus") varet nga shenja e lakimit. Qendra e lakimit të një sipërfaqeje konvekse është brenda fazës përkatëse. Sipërfaqet konvekse kanë lakim pozitiv, sipërfaqet konkave kanë lakim negativ.
Kështu, gjendja e ekuilibrit për një lëng në një tub kapilar përcaktohet nga barazia
fq 0 = fq 0 - (2σ / R) + ρ gh (1)
ku ρ është dendësia e lëngut, h- lartësia e ngritjes së saj në tub, fq 0 - presioni atmosferik.
Nga kjo shprehje del se h= 2σ /ρ gR. (2)
Le të transformojmë formulën që rezulton, duke shprehur rrezen e lakimit R menisk përmes rrezes së tubit kapilar r.
Nga Fig. 6.18 rrjedh se r = R cosθ. Duke zëvendësuar (1) në (2), marrim: h= 2σ cosθ /ρ gr.
Formula që rezulton, e cila përcakton lartësinë e rritjes së lëngut në një tub kapilar, quhet formula e Jurin. Natyrisht, sa më e vogël të jetë rrezja e tubit, aq më e madhe është lartësia e lëngut në të. Për më tepër, lartësia e ngritjes rritet me rritjen e koeficientit të tensionit sipërfaqësor të lëngut.
Ngritja e lëngut njomës përmes kapilarit mund të shpjegohet në një mënyrë tjetër. Siç u përmend më herët, nën ndikimin e forcave të tensionit sipërfaqësor, sipërfaqja e lëngut tenton të tkurret. Si rezultat, sipërfaqja e meniskut konkav tenton të drejtohet dhe të bëhet e sheshtë. Në të njëjtën kohë, ajo tërheq grimcat e lëngut që shtrihen nën të dhe lëngu ngrihet lart në kapilar. Por sipërfaqja e lëngut në një tub të ngushtë nuk mund të mbetet e sheshtë, ajo duhet të ketë formën e një menisku konkav. Sapo kjo sipërfaqe të marrë formën e një menisku në një pozicion të ri, përsëri do të tentojë të tkurret, etj. Si rezultat i këtyre arsyeve, lëngu i lagësht ngrihet përmes kapilarit. Ngritja do të ndalet kur forca e gravitetit F e kolonës së ngritur të lëngut, e cila tërheq sipërfaqen poshtë, balancon forcën rezultante F të forcave të tensionit sipërfaqësor të drejtuar në mënyrë tangjenciale në secilën pikë të sipërfaqes.
Përgjatë rrethit të kontaktit të sipërfaqes së lëngshme me murin kapilar ka një forcë tensioni sipërfaqësor të barabartë me produktin e koeficientit të tensionit sipërfaqësor dhe perimetrit: 2sp. r, Ku r– rrezja e kapilarit.
Forca e gravitetit që vepron në lëngun e ngritur është
F kordoni = mg = ρ Vg = ρπ r^2hg
ku ρ është dendësia e lëngut; h– lartësia e kolonës së lëngshme në kapilar; g– struktura e gravitetit.
Ngritja e lëngut ndalon kur F kordoni = F ose ρπ r^2hg= 2sp r. Prandaj lartësia e lëngut që ngrihet në kapilar h= 2σ /ρ gR.
Në rastin e një lëngu që nuk laget, ky i fundit, duke u përpjekur të zvogëlojë sipërfaqen e tij, do të zhytet poshtë, duke e shtyrë lëngun jashtë kapilarit.
Formula e përftuar është gjithashtu e zbatueshme për një lëng që nuk laget. Në këtë rast h– lartësia e zbritjes së lëngut në kapilar.
Dukuritë kapilare në natyrë
Dukuritë kapilare janë gjithashtu shumë të zakonshme në natyrë dhe shpesh përdoren në praktikën njerëzore. Druri, letra, lëkura, tulla dhe shumë objekte të tjera rreth nesh kanë kapilarë. Për shkak të kapilarëve, uji ngrihet përgjatë kërcellit të bimëve dhe përthithet në peshqir kur thahemi me të. Ngritja e ujit përmes vrimave të vogla në një copë sheqer, nxjerrja e gjakut nga gishti janë gjithashtu shembuj të fenomeneve kapilar.
Sistemi i qarkullimit të gjakut të njeriut, duke filluar me enë shumë të trasha, përfundon me një rrjet shumë të degëzuar kapilarësh të hollë. Për shembull, të dhënat e mëposhtme mund të jenë me interes. Sipërfaqja e prerjes tërthore të aortës është 8 cm2. Diametri i një kapilar gjaku mund të jetë 50 herë më i vogël se diametri i flokëve të njeriut me një gjatësi prej 0,5 mm. Në trupin e njeriut të rritur ka rreth 160 miliardë kapilarë. Gjatësia totale e tyre arrin 80 mijë km.
Nëpërmjet kapilarëve të shumtë të pranishëm në tokë, uji nga shtresat e thella ngrihet në sipërfaqe dhe avullohet intensivisht. Për të ngadalësuar procesin e humbjes së lagështirës, kapilarët shkatërrohen duke liruar tokën duke përdorur harqe, kultivues dhe ripersues.
Pjesa praktike
Le të marrim një tub qelqi me një diametër të brendshëm shumë të vogël ( d < 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.
Ngritja e lëngut për shkak të veprimit të forcave të tensionit sipërfaqësor të ujit mund të vërehet në një eksperiment të thjeshtë. Le të marrim një leckë të pastër dhe të ulim njërin skaj të saj në një gotë me ujë dhe ta varim tjetrin mbi buzën e gotës. Uji do të fillojë të rritet përmes poreve të pëlhurës, ngjashëm me tubat kapilar, dhe do të ngopë të gjithë pëlhurën. Uji i tepërt do të pikojë nga fundi i varur (shih foton 2).
Nëse merrni një pëlhurë me ngjyrë të çelur për eksperimentin, atëherë në foto është shumë e vështirë të shihet se si uji përhapet nëpër pëlhurë. Gjithashtu mbani në mend se jo të gjitha pëlhurat do të kenë rrjedhje të tepërt të ujit nga fundi i varur. Unë e bëra këtë eksperiment dy herë. Herën e parë që përdorëm pëlhurë të lehtë (trikotazh pambuku); Uji rridhte shumë mirë me pika nga fundi i varur. Herën e dytë përdorëm pëlhurë të errët (trikotazh me fibra të përziera - pambuk dhe sintetikë); Ishte qartë e dukshme se si uji u përhap mbi pëlhurë, por asnjë pikë nuk ra nga fundi i varur.
Ngritja e lëngut përmes kapilarëve ndodh kur forcat e tërheqjes së molekulave të lëngshme me njëra-tjetrën janë më të vogla se forcat e tërheqjes së tyre ndaj molekulave të një trupi të ngurtë. Në këtë rast, thuhet se lëngu e lag trupin e ngurtë.
Nëse merrni një tub jo shumë të hollë, e mbushni me ujë dhe mbyllni skajin e poshtëm të tubit me gisht, do të shihni se niveli i ujit në tub është konkav (Fig. 9).
Ky është rezultat i faktit se molekulat e ujit tërhiqen më shumë nga molekulat e mureve të enës sesa nga njëra-tjetra.
Jo të gjitha lëngjet dhe jo në të gjitha tubat "ngjiten" në mure. Ndodh gjithashtu që lëngu në kapilar të bjerë nën nivelin në një enë të gjerë, ndërsa sipërfaqja e tij është konveks. Thuhet se një lëng i tillë nuk e lag sipërfaqen e një trupi të ngurtë. Tërheqja e molekulave të lëngshme ndaj njëra-tjetrës është më e fortë se sa tek molekulat e mureve të enës. Kështu, për shembull, sillet merkuri në një kapilar xhami. (Fig.10)
konkluzioni
Kështu, gjatë kësaj pune u binda se:
- Dukuritë kapilare luajnë një rol të madh në natyrë.
- Ngritja e lëngut në kapilar vazhdon derisa forca e gravitetit që vepron në kolonën e lëngut në kapilar bëhet e barabartë në madhësi me forcën që rezulton.
- Lëngu njom në kapilar ngrihet, dhe lëngu jo lagësht lëviz poshtë.
- Lartësia e lëngut që ngrihet në një kapilar është drejtpërdrejt proporcionale me tensionin e tij sipërfaqësor dhe në përpjesëtim të kundërt me rrezen e kanalit kapilar dhe densitetin e lëngut.
Ndër proceset që mund të shpjegohen duke përdorur tensionin sipërfaqësor dhe lagjen e lëngjeve, vlen të theksohen fenomenet kapilare. Fizika është një shkencë misterioze dhe e jashtëzakonshme, pa të cilën jeta në Tokë do të ishte e pamundur. Le të shohim shembullin më të mrekullueshëm të kësaj disipline të rëndësishme.
Në praktikën jetësore, procese të tilla interesante nga pikëpamja e fizikës si fenomenet kapilar ndodhin mjaft shpesh. Puna është se në jetën e përditshme ne jemi të rrethuar nga shumë trupa që thithin lehtësisht lëngun. Arsyeja për këtë është struktura e tyre poroze dhe ligjet elementare të fizikës, dhe rezultati janë fenomenet kapilare.
Tuba të ngushta
Një kapilar është një tub shumë i ngushtë në të cilin lëngu sillet në një mënyrë të veçantë. Ka shumë shembuj të enëve të tilla në natyrë - kapilarët e sistemit të qarkullimit të gjakut, trupat porozë, toka, bimët, etj.
Fenomeni kapilar është ngritja ose rënia e lëngjeve përmes tubave të ngushtë. Procese të tilla vërehen në kanalet natyrore të njerëzve, bimëve dhe trupave të tjerë, si dhe në enë speciale të ngushta qelqi. Fotografia tregon se nivele të ndryshme uji janë vendosur në tuba komunikues me trashësi të ndryshme. Vihet re se sa më e hollë të jetë ena, aq më i lartë është niveli i ujit.
Këto dukuri qëndrojnë në themel të vetive absorbuese të një peshqiri, ushqimin e bimëve, lëvizjen e bojës përgjatë shufrës dhe shumë procese të tjera.
Dukuritë kapilare në natyrë
Procesi i përshkruar më sipër është jashtëzakonisht i rëndësishëm për ruajtjen e jetës së bimëve. Toka është mjaft e lirshme, ka boshllëqe midis grimcave të saj, të cilat përfaqësojnë një rrjet kapilar. Uji ngrihet përmes këtyre kanaleve, duke ushqyer sistemin rrënjor të bimëve me lagështi dhe të gjitha substancat e nevojshme.
Nëpërmjet këtyre kapilarëve, lëngu avullon në mënyrë aktive, kështu që është e nevojshme të lërohet toka, e cila do të shkatërrojë kanalet dhe do të mbajë lëndët ushqyese. Në të kundërt, toka e shtypur do të avullojë më shpejt lagështinë. Kjo shpjegon rëndësinë e lërimit të tokës për të mbajtur lëngun e nëntokës.
Në bimë, sistemi kapilar siguron që lagështia të rritet nga rrënjët e vogla deri në pjesët e sipërme dhe përmes gjetheve të avullojë në mjedisin e jashtëm.
Tensioni sipërfaqësor dhe lagështimi
Çështja e sjelljes së lëngjeve në enët bazohet në procese fizike si tensioni sipërfaqësor dhe lagështimi. Dukuritë kapilare të shkaktuara prej tyre studiohen në mënyrë komplekse.
Nën ndikimin e tensionit sipërfaqësor, lëngu njomës në kapilarë është mbi nivelin në të cilin duhet të jetë sipas ligjit të enëve komunikuese. Në të kundërt, substanca që nuk laget ndodhet nën këtë nivel.
Kështu, uji në një tub qelqi (lëng lagësht) ngrihet në një lartësi më të madhe sa më e hollë të jetë ena. Përkundrazi, sa më i hollë të jetë ena, aq më i ulët është merkuri në një provëz qelqi (një lëng që nuk laget). Përveç kësaj, siç tregohet në figurë, lëngu lagësht formon një formë konkave të meniskut, dhe lëngu jo lagësht formon një formë konveks.
Veting
Ky është një fenomen që ndodh në kufirin ku një lëng bie në kontakt me një të ngurtë (një lëng tjetër, gazra). Ajo lind për shkak të ndërveprimit të veçantë të molekulave në kufirin e kontaktit të tyre.
Lagja e plotë do të thotë që pika përhapet mbi sipërfaqen e një trupi të ngurtë, ndërsa jo lagja e shndërron atë në një sferë. Në praktikë, një ose një shkallë tjetër e lagështimit është më e zakonshme sesa opsionet ekstreme.
Forca e tensionit sipërfaqësor
Sipërfaqja e rënies ka një formë sferike dhe arsyeja për këtë është ligji që vepron mbi lëngjet - tensioni sipërfaqësor.
Dukuritë kapilare janë për shkak të faktit se ana konkave e lëngut në tub tenton të drejtohet në një gjendje të sheshtë për shkak të forcave të tensionit sipërfaqësor. Kjo shoqërohet me faktin se grimcat e jashtme i mbajnë lart trupat poshtë tyre dhe substanca ngrihet lart në tub. Megjithatë, lëngu në kapilar nuk mund të marrë një formë të sipërfaqes së sheshtë dhe ky proces i rritjes vazhdon deri në një pikë të caktuar ekuilibri. Për të llogaritur lartësinë në të cilën kolona e ujit do të rritet (bie), duhet të përdorni formulat që do të paraqiten më poshtë.
Llogaritja e lartësisë së kolonës së ujit
Momenti kur ngritja e ujit në një tub të ngushtë ndalon ndodh kur forca e rëndesës P e substancës balancon forcën e tensionit sipërfaqësor F. Ky moment përcakton lartësinë e ngritjes së lëngut. Fenomenet kapilare shkaktohen nga dy forca të drejtuara ndryshe:
- forca e gravitetit fillesa P e detyron lëngun të bjerë poshtë;
- Forca e tensionit sipërfaqësor F e lëviz ujin lart.
Forca e tensionit sipërfaqësor që vepron rreth rrethit ku lëngu është në kontakt me muret e tubit është e barabartë me:
ku r është rrezja e tubit.
Forca e gravitetit që vepron në lëngun në tub është:
P fillesa = ρπr2hg,
ku ρ është dendësia e lëngut; h është lartësia e kolonës së lëngshme në tub;
Pra, substanca do të ndalojë së ngrituri me kusht që P e rëndë = F, që do të thotë se
ρπr 2 hg = σ2πr,
prandaj lartësia e lëngut në tub është:
Në mënyrë të ngjashme për një lëng që nuk laget:
h është lartësia e substancës në tub. Siç shihet nga formulat, lartësia në të cilën ngrihet (bie) uji në një enë të ngushtë është në përpjesëtim të zhdrejtë me rrezen e enës dhe densitetin e lëngut. Kjo vlen për lëngjet njomëse dhe jo të lagura. Në kushte të tjera, është e nevojshme të bëhet një rregullim për formën e meniskut, i cili do të prezantohet në kapitullin vijues.
Presioni Laplace
Siç u përmend tashmë, lëngu në tuba të ngushtë sillet në atë mënyrë që duket se ligji i anijeve komunikuese po shkelet. Ky fakt shoqëron gjithmonë dukuritë kapilare. Fizika e shpjegon këtë duke përdorur presionin Laplace, i cili drejtohet lart kur lëngu laget. Duke ulur një tub shumë të ngushtë në ujë, ne vëzhgojmë se si lëngu tërhiqet në një nivel të caktuar h. Sipas ligjit të anijeve komunikuese, ai duhej të balancohej me nivelin e jashtëm të ujit.
Kjo mospërputhje shpjegohet nga drejtimi i presionit të Laplace p l:
Në këtë rast ai drejtohet lart. Uji tërhiqet në tub në një nivel ku ekuilibrohet me presionin hidrostatik p g të kolonës së ujit:
dhe nëse p l =p g, atëherë mund të barazojmë dy pjesët e ekuacionit:
Tani lartësia h mund të nxirret lehtësisht si formulë:
Kur lagja ka përfunduar, atëherë menisku, i cili formon sipërfaqen konkave të ujit, ka formën e një hemisfere, ku Ɵ=0. Në këtë rast, rrezja e sferës R do të jetë e barabartë me rrezen e brendshme të kapilarit r. Nga këtu marrim:
Dhe në rastin e lagështimit jo të plotë, kur Ɵ≠0, rrezja e sferës mund të llogaritet duke përdorur formulën:
Pastaj lartësia e dëshiruar, e korrigjuar për këndin, do të jetë e barabartë me:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
Nga ekuacionet e paraqitura shihet qartë se lartësia h është në përpjesëtim të zhdrejtë me rrezen e brendshme të tubit r. Uji arrin lartësinë e tij më të madhe në enët me diametër të qimeve të njeriut, të cilat quhen kapilarë. Siç dihet, një lëng lagësht tërhiqet lart, dhe një lëng jo lagësht shtyhet poshtë.
Ju mund të bëni një eksperiment duke marrë enë komunikuese, ku njëra prej tyre është e gjerë dhe tjetra është shumë e ngushtë. Pasi të keni derdhur ujë në të, mund të vini re një nivel të ndryshëm lëngu, dhe në versionin me një substancë lagësht niveli në tubin e ngushtë është më i lartë, dhe me një substancë jo lagësht është më i ulët.
Rëndësia e dukurive kapilare
Pa fenomene kapilare, ekzistenca e organizmave të gjallë është thjesht e pamundur. Është përmes enëve më të vogla që trupi i njeriut merr oksigjen dhe lëndë ushqyese. Rrënjët e bimëve janë një rrjet kapilarësh që tërheqin lagështinë nga toka, duke e çuar atë në gjethet më të sipërme.
Pastrimi i thjeshtë i shtëpisë është i pamundur pa fenomene kapilar, sepse sipas këtij parimi, pëlhura thith ujin. Një peshqir, bojë, një fitil në një llambë vaji dhe shumë pajisje funksionojnë mbi këtë bazë. Dukuritë kapilare në teknologji luajnë një rol të rëndësishëm në tharjen e trupave porozë dhe në procese të tjera.
Ndonjëherë të njëjtat fenomene japin pasoja të padëshirueshme, për shembull, poret e tullave thithin lagështi. Për të shmangur lagështimin e ndërtesave nën ndikimin e ujërave nëntokësore, duhet të mbroni themelin me materiale hidroizoluese - bitum, shami për çati ose shami për çati.
Lagimi i rrobave gjatë shiut, për shembull, pantallonat deri tek gjunjët nga ecja nëpër pellgje, është gjithashtu për shkak të fenomeneve kapilare. Ka shumë shembuj të këtij fenomeni natyror rreth nesh.
Eksperimentoni me lule
Shembuj të dukurive kapilare mund të gjenden në natyrë, veçanërisht kur bëhet fjalë për bimët. Trungjet e tyre kanë shumë enë të vogla brenda. Ju mund të eksperimentoni me lyerjen e një lule në ndonjë ngjyrë të ndezur si rezultat i fenomeneve kapilare.
Ju duhet të merrni ujë me ngjyra të ndezura dhe një lule të bardhë (ose një gjethe lakër kineze, një kërcell selino) dhe vendoseni në një gotë me këtë lëng. Pas ca kohësh, mund të vëzhgoni se si bojë lëviz lart në gjethet e lakrës kineze. Ngjyra e bimës gradualisht do të ndryshojë sipas bojës në të cilën është vendosur. Kjo është për shkak të lëvizjes së substancës lart në kërcell sipas ligjeve që diskutuam në këtë artikull.
Ndryshoni nivelin në tuba, kanale të ngushta me formë arbitrare, trupa porozë. Një rritje e lëngut ndodh në rastet kur kanalet lagen nga lëngjet, për shembull, uji në tuba qelqi, rërë, tokë, etj. Një rënie në lëng ndodh në tubat dhe kanalet që nuk lagen nga lëngu, për shembull, merkuri në tub qelqi.
Aktiviteti jetësor i kafshëve dhe bimëve, teknologjitë kimike dhe fenomenet e përditshme (për shembull, ngritja e vajgurit përgjatë fitilit në një llambë vajguri, fshirja e duarve me një peshqir) bazohen në kapilaritet. Kapilariteti i tokës përcaktohet nga shpejtësia me të cilën uji ngrihet në tokë dhe varet nga madhësia e hapësirave midis grimcave të tokës.
Kapilarët janë tuba të hollë, si dhe enët më të holla në trupin e njeriut dhe kafshët e tjera (shih Kapilari (biologji)).
Shiko gjithashtu
Letërsia
- Prokhorenko P. P. Efekti kapilar tejzanor / P. P. Prokhorenko, N. V. Dezhkunov, G. E. Konovalov; Ed. V. V. Klubovich. 135 fq. Minsk: "Shkenca dhe Teknologjia", 1981.
Lidhjet
- Gorin Yu. V. Indeksi i efekteve fizike dhe fenomeneve për përdorim në zgjidhjen e problemeve shpikëse (mjet TRIZ) // Kapitulli. 1.2 Tensioni sipërfaqësor i lëngjeve. Kapilariteti.
Fondacioni Wikimedia. 2010.
Shihni se çfarë është "Kapilari (fizikë)" në fjalorë të tjerë:
Fjala kapilar përdoret për të përshkruar tuba shumë të ngushtë nëpër të cilët mund të kalojë lëngu. Për më shumë detaje, shihni artikullin Efekti kapilar. Kapilari (biologjia) është lloji më i vogël i enës së gjakut. Kapilar (fizikë) Kapilar... ... Wikipedia
Kriteri Landau për superfluiditetin është marrëdhënia midis energjive dhe momenteve të ngacmimeve elementare të një sistemi (fononeve), i cili përcakton mundësinë e të qenit në gjendje superfluid. Përmbajtja 1 Formulimi i kriterit 2 Përfundimi i kriterit ... Wikipedia
Njësia e jashtme e sistemeve të ndarjes dhe kondensatorëve (kullat ftohëse me ventilator) të pajisjeve ftohëse komerciale në një raft Pajisjet e klimës dhe ftohjes bazuar në funksionimin e makinave ftohëse ... Wikipedia
Një ndryshim në temperaturën e gazit si rezultat i rrjedhës së tij të ngadaltë nën ndikimin e një rënie të vazhdueshme të presionit përmes një mbytjeje; një pengesë lokale për rrjedhën e gazit (ndarje kapilar, valvul ose poroze e vendosur në tub përgjatë rrugës... .. .
Është një lëng transparent pa ngjyrë, që zien në presionin atmosferik në temperaturën 4,2 K (lëng 4He). Dendësia e heliumit të lëngshëm në një temperaturë prej 4,2 K është 0,13 g/cm³. Ka një indeks të ulët thyerjeje, për shkak të... ... Wikipedia
Efekti burimor, shfaqja në një lëng superfluid i një ndryshimi presioni Δρ i shkaktuar nga një ndryshim i temperaturës ΔТ (shih Superfluidity). T. e. manifestohet në heliumin superfluid të lëngshëm në ndryshimin e niveleve të lëngjeve në dy enë,... ... Enciklopedia e Madhe Sovjetike
Secili prej nesh mund të kujtojë lehtësisht shumë substanca që ai i konsideron si lëngje. Megjithatë, nuk është aq e lehtë të jepet një përkufizim i saktë i kësaj gjendjeje të materies, pasi lëngjet kanë veti fizike të tilla që në disa aspekte ato... ... Enciklopedia e Collier
Kapilariteti (nga latinishtja capillaris hair), efekti kapilar është një fenomen fizik që konsiston në aftësinë e lëngjeve për të ndryshuar nivelin në tuba, kanale të ngushta me formë arbitrare, trupa porozë. Një rritje e lëngjeve ndodh në rastet e... ... Wikipedia
