Kılcal fenomen, bir sıvının başka bir ortamla arayüzündeki, yüzeyinin eğriliğiyle ilişkili yüzey olayları. Sıvı yüzeyinin gaz fazı sınırındaki eğriliği, sıvının yüzey geriliminin etkisinin bir sonucu olarak meydana gelir; bu, ara yüzeyi kısaltma ve sınırlı hacimdeki sıvıya küresel bir şekil verme eğilimindedir. Topun belirli bir hacim için minimum yüzey alanı olduğundan, bu şekil sıvının minimum yüzey enerjisine karşılık gelir; kararlı denge durumu. Yeterince büyük sıvı kütleleri durumunda, yüzey geriliminin etkisi yerçekimi ile telafi edilir, böylece düşük viskoziteli sıvı, içine döküldüğü kabın şeklini hızla alır ve serbest kalır. yüzey neredeyse düz görünür.
Yer çekimi olmadığında veya çok küçük kütleler söz konusu olduğunda, sıvı her zaman küresel bir şekil (damla) alır ve yüzeyinin eğriliği çoğul tarafından belirlenir. maddenin özellikleri. Bu nedenle, kılcal olaylar açıkça ifade edilir ve ağırlıksızlık koşullarında, sıvının gazlı bir ortamda ezilmesi (veya gazın bir sıvı içinde atomizasyonu) ve birçok damla veya kabarcıktan (emülsiyonlar, aerosoller) oluşan sistemlerin oluşumu sırasında önemli bir rol oynar. , köpükler), buharların yoğunlaşması sırasında yeni bir sıvı damlacıkları fazının ortaya çıkması sırasında, kaynama sırasında buhar kabarcıkları, kristalizasyon çekirdekleri. Bir sıvı yoğunlaştırılmış cisimlerle (başka bir sıvı veya katı) temas ettiğinde, arayüzey geriliminin bir sonucu olarak arayüzde eğrilik meydana gelir.
Örneğin ıslanma durumunda, bir sıvı kabın katı duvarı ile temas ettiğinde, katı ve sıvının molekülleri arasında etki eden çekici kuvvetler onun kabın duvarı boyunca yükselmesine neden olur, bunun sonucunda da sıvı yüzeyinin duvara bitişik kısmı içbükey bir şekil alır. Dar kanallarda, örneğin silindirik kılcal damarlarda, içbükey bir menisküs oluşur - sıvının tamamen kavisli bir yüzeyi (Şekil 1).
Pirinç. 1. Kılcal damarın yüksekliğe yükselmesi H yarıçaplı bir kılcal damarın duvarlarını ıslatan sıvı R; q temas açısıdır.
Kılcal basınç.
Yüzey (arayüzey) geriliminin kuvvetleri sıvının yüzeyine teğet olarak yönlendirildiğinden, ikincisinin eğriliği, sıvının hacmine yönlendirilmiş bir bileşenin ortaya çıkmasına neden olur. Sonuç olarak, Dp değeri Laplace denklemi ile r 0 yüzeyinin ortalama eğrilik yarıçapı ile ilişkili olan kılcal basınç ortaya çıkar:
Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)
burada p 1 ve p 2 - sıvı 1 ve komşu faz 2'deki (gaz veya sıvı) basınç, s 12 - yüzey (arayüz) gerilimi.
Sıvının yüzeyi içbükey ise (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) Dp'nin işareti terstir. Kılcal duvarların sıvı tarafından ıslanmasıyla oluşan negatif kılcal basınç, sıvı sütununun ağırlığı yüksek olana kadar sıvının kılcal damar içine emilmesine neden olur. H Dp basınç farkını dengelemeyecektir. Denge durumunda kılcal yükselişin yüksekliği Jurin formülüyle belirlenir:
burada r 1 ve r 2 sıvı 1 ve ortam 2'nin yoğunluklarıdır, g yerçekimi ivmesidir, r kılcal damarın yarıçapıdır, q temas açısıdır. Kılcal duvarları ıslatmayan sıvılar için cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
İfade (2)'den sıvının kılcal sabitinin tanımı gelir A= 1/2. Uzunluk boyutuna sahiptir ve doğrusal boyutu karakterize eder. Z[A, kılcal fenomenin önemli hale geldiği, yani 20 ° C'deki su için bir = 0,38 cm.Zayıf yerçekiminde (g:0) değerinde A artışlar. Parçacık temas alanında kılcal yoğuşma, azaltılmış Dp basıncının etkisi altında parçacıkların büzülmesine yol açar< 0.
Kelvin denklemi.
Sıvı yüzeyinin eğriliği, bunun üzerindeki denge buhar basıncında bir değişikliğe yol açar R doymuş buhar basıncıyla karşılaştırıldığında not aynı sıcaklıkta düz bir yüzeyin üzerinde T. Bu değişiklikler Kelvin denklemiyle tanımlanır:
sıvının molar hacmi nerede, R gaz sabitidir. Buhar basıncındaki azalma veya artış yüzey eğriliğinin işaretine bağlıdır: dışbükey yüzeylerin üstünde (r 0 > 0) p>ps; aşırı içbükey (r 0< 0) R< р s . . Böylece damlacıkların üzerinde buhar basıncı artar; kabarcıklarda ise tam tersine azalır.
Kelvin denklemine dayanarak kılcal damarların veya gözenekli cisimlerin dolumu şu şekilde hesaplanır: kılcal yoğunlaşma. Değerlerden bu yana R farklı boyutlardaki parçacıklar veya yüzeyin çöküntü ve çıkıntılara sahip alanları için farklı olduğundan, denklem (3) aynı zamanda sistemin denge durumuna geçişi sırasında maddenin transfer yönünü de belirler. Bu, özellikle, daha küçük olanların buharlaşması (çözünmesi) nedeniyle nispeten büyük damlaların veya parçacıkların büyümesine ve çıkıntıların çözünmesi ve çöküntülerin iyileşmesi nedeniyle kristal olmayan gövdelerin yüzey düzensizliklerinin düzeltilmesine yol açar. Buhar basıncı ve çözünürlükteki gözle görülür farklar yalnızca yeterince küçük r 0'da (örneğin su için r 0'da) meydana gelir. Bu nedenle Kelvin denklemi genellikle kolloidal sistemlerin ve gözenekli cisimlerin durumunu ve bunların içindeki işlemleri karakterize etmek için kullanılır.
Pirinç. 2. Sıvının belirli bir uzunluk boyunca hareketi ben r yarıçaplı bir kılcal damarda; q - temas açısı.
Kılcal emprenye.
İçbükey menisküs altındaki basınçtaki azalma, sıvının daha küçük bir eğrilik yarıçapıyla menisküse doğru kılcal hareketinin nedenlerinden biridir. Bunun özel bir durumu, gözenekli cisimlerin emprenye edilmesidir - sıvıların liyofilik gözeneklere ve kılcal damarlara kendiliğinden emilmesi (Şekil 2). Hız v menisküsün yatay olarak yerleştirilmiş bir kılcal damardaki (veya yerçekiminin etkisi küçük olduğunda çok ince dikey bir kılcal damardaki) hareketi Poiseuille denklemi ile belirlenir:
Nerede ben- emilen sıvı bölümünün uzunluğu, h - viskozitesi, Dp - bölümdeki basınç düşüşü ben, menisküsün kılcal basıncına eşittir: Dp = - 2s 12 cos q/r. Temas açısı q hıza bağlı değilse v, zamanla emilen sıvı miktarını hesaplayabilirsiniz T orandan:
ben(T) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Eğer q bir fonksiyon ise v, O ben Ve v daha karmaşık bağımlılıklarla birbirine bağlanır.
Denklemler (4) ve (5), ahşabın antiseptiklerle işlenmesi, kumaşların boyanması, gözenekli ortama katalizörlerin uygulanması, kayaların değerli bileşenlerinin süzülmesi ve difüzyon ekstraksiyonu vb. sırasında emprenye etme oranını hesaplamak için kullanılır. Emdirmeyi hızlandırmak için yüzey aktif maddeler kullanılır. Temas açısını q azaltarak ıslatmayı artıran sıklıkla kullanılır. Kılcal emprenye için seçeneklerden biri, bir sıvının gözenekli bir ortamdan, ilkiyle karışmayan ve gözeneklerin yüzeyini daha iyi ıslatan bir başkasıyla yer değiştirmesidir. Bu, örneğin, yüzey aktif maddelerin sulu çözeltileri ile rezervuarlardan artık yağın çıkarılmasına yönelik yöntemlerin ve cıva porozimetri yöntemlerinin temelidir. Çözeltilerin gözeneklerine kılcal emilim ve karışmayan sıvıların gözeneklerden yer değiştirmesi, bileşenlerin adsorpsiyonu ve difüzyonu ile birlikte fizikokimyasal hidrodinamik tarafından dikkate alınır.
Bir sıvının açıklanan denge durumlarına ve gözenekler ve kılcal damarlardaki hareketine ek olarak, kılcal olaylar aynı zamanda çok küçük hacimlerdeki sıvının, özellikle ince tabakaların ve filmlerin denge durumlarını da içerir. Bu kılcal olaylara genellikle tip II kılcal olaylar denir. Örneğin sıvının yüzey geriliminin damlacıkların yarıçapına ve doğrusal gerilime bağlı olmasıyla karakterize edilirler. Kılcal damar olayları ilk olarak Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (17. yüzyıl) ve J. Jurin (18. yüzyıl) tarafından kılcal tüplerle yapılan deneylerde incelenmiştir. Kılcal fenomen teorisi, P. Laplace (1806), T. Young (1804), A. Yu Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886) çalışmalarında geliştirilmiştir. İkinci türden kılcal fenomen teorisinin gelişimi B.V. Deryagin ve L.M. Shcherbakov'un çalışmalarıyla başladı.
Islandığında, yüzey tabakasının özelliklerini değiştirerek yüzey eğriliği meydana gelir. Kavisli bir yüzeyde aşırı serbest enerjinin varlığı, çok benzersiz ve önemli olan kılcal olaya yol açar.
Önce sabun köpüğü örneğini kullanarak niteliksel bir inceleme yapalım. Balon şişirme işleminde tüpün ucunu açarsak ucunda bulunan baloncuğun boyutunun küçülerek tüpün içine çekildiğini görürüz. Açık uçtan gelen hava atmosferle iletişim kurduğundan, sabun köpüğünün denge durumunu korumak için içerideki basıncın dışarıdan daha büyük olması gerekiyordu. Boruyu bir monometreye bağlarsanız, üzerine belirli bir seviye farkı kaydedilir - kabarcık yüzeyinin içbükey tarafındaki gazın hacimsel fazındaki aşırı basınç DP.
Denge durumunda olan ve küresel bir yüzeyle ayrılmış iki hacimsel faz arasındaki DP ile yüzeyin eğrilik yarıçapı 1/r arasında niceliksel bir ilişki kuralım. (örneğin, bir sıvıdaki gaz kabarcığı veya buhar fazındaki bir sıvı damlası). Bunu yapmak için, T = sabit koşulu ve maddenin bir fazdan diğerine aktarımının olmadığı dn i = 0 koşulu altında serbest enerji için genel termodinamik ifadeyi kullanırız. Denge durumunda, ds yüzeyindeki ve dV hacmindeki değişiklikler mümkün. V'nin dV ve s'nin ds kadar artmasına izin verin. Daha sonra:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
Dengede dF = 0. dV 1 = dV 2 gerçeğini dikkate alarak şunları buluruz:
P 1 - P 2 = sds/dV.
Yani P 1 > P 2 . r'nin eğrilik yarıçapı olduğu V 1 = 4/3 p r 3'ü göz önünde bulundurarak şunu elde ederiz:
Değiştirme Laplace denklemini verir:
P 1 - P 2 = 2s/r. (1)
Daha genel bir durumda, ana eğrilik yarıçapları r1 ve r2 olan bir devrim elipsoidi için Laplace yasası formüle edilir:
P 1 - P 2 = s/(1/R 1 - 1/R 2).
r 1 = r 2 için (1), r 1 = r 2 = ¥ (düzlem) için P 1 = P 2 elde ederiz.
DP farkına kılcal basınç denir. Kılcal olay teorilerinin temeli olan Laplace yasasının fiziksel anlamını ve sonuçlarını ele alalım: Denklem, kütle fazlarındaki basınç farkının s arttıkça ve eğrilik yarıçapı azaldıkça arttığını göstermektedir. Dolayısıyla dispersiyon ne kadar yüksek olursa, küresel yüzeye sahip bir sıvının iç basıncı da o kadar büyük olur. Örneğin r = 10-5 cm'de buhar fazındaki bir su damlası için DP = 2. 73. 10 5 din/cm2 » 15 at. Böylece damla içindeki basınç buhara göre buhar fazına göre 15 atm daha yüksektir. Fazların bir araya gelme durumuna bakılmaksızın, denge durumunda, yüzeyin içbükey tarafındaki basıncın her zaman dışbükey taraftan daha büyük olduğu unutulmamalıdır.Uranyum, s'nin deneysel ölçümü için temel oluşturur. Maksimum kabarcık basıncı yöntemini kullanarak. Kılcal basıncın varlığının en önemli sonuçlarından biri kılcal damardaki sıvının yükselmesidir.
Sıvı içerenlerde kılcal olaylar gözlenir
Duvarlar arasındaki mesafenin sıvı yüzeyinin eğrilik yarıçapı ile orantılı olduğu dar kaplarda. Eğrilik, sıvının kabın duvarları ile etkileşimi sonucu oluşur. Bir sıvının kılcal damarlardaki spesifik davranışı, sıvının kabın duvarlarını ıslatıp ıslatmadığına, daha doğrusu temas açısının değerine bağlıdır.
Biri liyofilik yüzeye sahip olduğundan duvarları ıslak, diğeri ise liyofobik yüzeye sahip olup ıslanmayan iki kılcal damardaki sıvı seviyelerinin konumunu ele alalım. Birinci kılcalda yüzey negatif eğriliğe sahiptir. İlave Laplace basıncı sıvının gerilmesine neden olur. (basınç eğriliğin merkezine doğru yönlendirilir). Yüzeyin altındaki basınç düz yüzeydeki basınçtan daha düşüktür. Sonuç olarak, kolonun ağırlığı etki eden kuvveti dengeleyene kadar kılcaldaki sıvıyı kaldıran bir kaldırma kuvveti ortaya çıkar.İkinci kılcalda yüzeyin eğriliği pozitiftir, sıvıya ilave basınç yönlendirilir, bunun sonucunda kılcal damardaki sıvı aşağıya doğru iner.
Denge durumunda Laplace basıncı, h yüksekliğindeki bir sıvı kolonunun hidrostatik basıncına eşittir:
DP = ± 2s/r = (r - r o) gh, burada r, ro sıvı ve gaz fazının yoğunluklarıdır, g yerçekimi ivmesidir, r menisküsün yarıçapıdır.
Kılcal yükselişin yüksekliğini ıslatma özelliğiyle ilişkilendirmek için menisküs yarıçapı, ıslatma açısı Q ve kılcal yarıçap r 0 cinsinden ifade edilecektir. r 0 = r cosQ, yüksekliği olduğu açıktır. kılcal artış şu şekilde ifade edilecektir (Jurin formülü):
h = 2sсosQ / r 0 (r - r 0)g
Islanma olmadığında 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.
Sıvıların kılcal yükselişi bir dizi iyi bilinen olayı ve süreci açıklamaktadır: Kağıt ve kumaşların emprenye edilmesi, gözeneklerdeki sıvının kılcal yükselişinden kaynaklanır. Kumaşların su geçirmezliği, negatif kılcal yükselişin bir sonucu olan hidrofobikliği ile sağlanır. Suyun topraktan yükselmesi toprağın yapısından dolayı meydana gelir ve Dünya bitki örtüsünün varlığını sağlar, suyun bitki gövdeleri boyunca topraktan yükselmesi ahşabın lifli yapısı, kan dolaşımı süreci nedeniyle meydana gelir. kan damarlarında, binanın duvarlarında nemin yükselmesi (su yalıtımı döşenmesi) vb.
Termodinamik reaktivite (t.r.s.).
Bir maddenin başka bir duruma, örneğin başka bir faza dönüşme veya kimyasal reaksiyona girme yeteneğini karakterize eder. Belirli bir sistemin belirli koşullar altında denge durumundan uzaklığını gösterir. T.r.s. Gibbs enerjisindeki bir değişiklik veya kimyasal potansiyellerdeki bir farkla ifade edilebilen kimyasal afinite ile belirlenir.
R.s, maddenin dağılım derecesine bağlıdır. Dispersiyon derecesindeki bir değişiklik, faz veya kimyasal dengede bir kaymaya yol açabilir.
Gibbs enerjisindeki karşılık gelen artış dG d (dağılımdaki bir değişiklik nedeniyle), termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının birleşik denklemi olarak temsil edilebilir: dG d = -S dT + V dp
Tek bir madde için V =V mol ve T = const'ta elimizde: dG d = V mol dp veya DG d = V mol Dp
Bu denklemde Laplace ilişkisini değiştirerek dG d = s V mol ds/dV elde ederiz.
küresel eğrilik için: dG d =±2 s V mol /r (3)
Denklemler, dispersiyondaki bir değişiklik nedeniyle reaktivitedeki artışın, yüzeyin eğriliği veya dispersiyonla orantılı olduğunu göstermektedir.
Bir maddenin yoğunlaşmış fazdan gaz fazına geçişi dikkate alınırsa Gibbs enerjisi, ideal kabul edilerek buhar basıncı cinsinden ifade edilebilir. Bu durumda dağılımdaki değişime bağlı olarak Gibbs enerjisindeki ek değişim şöyle olur:
dG d = RT ln (p d / p s) (4), burada p d ve p s kavisli ve düz yüzeyler üzerindeki doymuş buhar basıncıdır.
(4)'ü (3)'te değiştirerek şunu elde ederiz: ln (p d / p s) = ±2 s V mol /RT r
İlişkiye Kelvin-Thomson denklemi denir. Bu denklemden, pozitif eğrilikte, eğrilik ne kadar büyük olursa, kavisli bir yüzey üzerindeki doymuş buhar basıncının da o kadar büyük olacağı sonucu çıkar; damlanın daha küçük yarıçapı. Örneğin yarıçapı r = 10-5 cm olan bir su damlası için (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, yani %1. Kelvin-Thomson yasasının bu sonucu, en küçük damlaların buharlaşmasından ve buharın daha büyük damlalar üzerinde ve düz bir yüzey üzerinde yoğunlaşmasından oluşan izotremik damıtma olgusunu tahmin etmemizi sağlar.
Islanma sırasında kılcal damarlarda meydana gelen negatif eğrilikle ters bir ilişki elde edilir: kavisli yüzeyin üzerindeki (damlanın üstünde) doymuş buhar basıncı, eğriliğin artmasıyla (kılcal yarıçapın azalmasıyla) azalır. Bu nedenle, eğer bir sıvı kılcal boruyu ıslatırsa, o zaman kılcal borudaki buharların yoğunlaşması düz bir yüzeye göre daha düşük basınçta meydana gelir. Kelvin denklemlerine genellikle kılcal yoğunlaşma denklemi denmesinin nedeni budur.
Partikül dispersiyonunun çözünürlük üzerindeki etkisini ele alalım. Gibbs enerjisindeki değişimin, (4) ilişkisine benzer şekilde bir maddenin farklı dağılmış hallerdeki çözünürlüğü yoluyla ifade edildiğini hesaba katarsak, elektrolit olmayanlar için şunu elde ederiz:
ln(c d /ca) = ±2 s V mol /RT r burada cd ve ca, maddenin oldukça dağılmış durumdaki çözünürlüğü ve bu maddenin büyük parçacıkları ile dengedeki çözünürlüğüdür
Çözeltide n iyona ayrışan bir elektrolit için şunu yazabiliriz (aktivite katsayılarını ihmal ederek):
ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol /RT r, burada a d ve a s, yüksek oranda dağılmış ve kaba dağılmış duruma göre doymuş çözeltilerdeki elektrolitin aktiviteleridir. Denklemler, dispersiyonun artmasıyla çözünürlüğün arttığını veya dağılmış bir sistemdeki parçacıkların kimyasal potansiyelinin büyük bir parçacığınkinden 2 s V mol / r kadar daha büyük olduğunu göstermektedir. Aynı zamanda çözünürlük, yüzey eğriliğinin işaretine bağlıdır; bu, bir katının parçacıkları pozitif ve negatif eğriliğe sahip düzensiz bir şekle sahipse ve doymuş bir çözelti içindeyse, o zaman pozitif eğriliğe sahip alanların çözüleceği ve alanların çözüleceği anlamına gelir. Negatif eğrilikle büyüyecek. Sonuç olarak, çözünür maddenin parçacıkları zamanla denge durumuna karşılık gelen tamamen belirli bir şekil kazanır.
Dağılım derecesi aynı zamanda bir kimyasal reaksiyonun dengesini de etkileyebilir: - DG 0 d = RT ln (K d / K), burada DG 0 d, dağılım nedeniyle kimyasal afinitedeki artıştır, K d ve K denge sabitleridir dağılmış ve dağılmamış maddeleri içeren reaksiyonların.
Dağılımın artmasıyla birlikte bileşenlerin aktivitesi artar ve buna bağlı olarak kimyasal denge sabiti, başlangıç maddelerinin ve reaksiyon ürünlerinin dağılım derecesine bağlı olarak bir yönde veya başka yönde değişir. Örneğin, kalsiyum karbonatın ayrışma reaksiyonu için: CaCO 3 « CaO + CO 2
Başlangıçtaki kalsiyum karbonatın dağılımındaki artış dengeyi sağa kaydırır ve sistem üzerindeki karbondioksit basıncı artar. Kalsiyum oksit dağılımının arttırılması ters sonuca yol açar.
Aynı sebepten dolayı dispersiyon arttıkça kristalleşme suyu ile madde arasındaki bağlantı zayıflar. Yani Al 2 O 3'ün bir makro kristali. 3H20 473 K'de su verir, koloidal büyüklükteki parçacıkların çökeltisinde kristalin hidrat 373 K'de ayrışır. Altın, hidroklorik asitle etkileşime girmez ve kolloidal altın içinde çözünür. İri dağılmış kükürt, gümüş tuzlarıyla gözle görülür şekilde reaksiyona girmez ve kolloidal kükürt, gümüş sülfür oluşturur.
Dikkat! Site yönetimi, metodolojik gelişmelerin içeriğinden ve geliştirmenin Federal Devlet Eğitim Standardına uygunluğundan sorumlu değildir.
- Katılımcı: Nikolaev Vladimir Sergeevich
- Başkan: Süleymanova Alfiya Sayfullovna
giriiş
Yüksek teknoloji çağımızda doğa bilimleri insanların hayatında giderek daha fazla önem kazanmaktadır. 21. yüzyılın insanları süper verimli bilgisayarlar, akıllı telefonlar üretiyor ve çevremizdeki dünyayı giderek daha derinlemesine inceliyor. İnsanların geleceğimizi kökten değiştirecek yeni bir bilimsel ve teknolojik devrime hazırlandıklarını düşünüyorum. Ancak bu değişikliklerin ne zaman gerçekleşeceğini kimse bilmiyor. Her insan yaptığı çalışmalarla bu günü yakınlaştırabilir.
Bu araştırma çalışması fiziğin gelişimine benim küçük katkımdır.
Bu araştırma çalışması şu anda ilgili olan “Kılcal damar fenomeni” konusuna ayrılmıştır. Hayatta çoğu zaman birçok küçük kanalın (kağıt, iplik, deri, çeşitli yapı malzemeleri, toprak, ahşap) nüfuz ettiği bedenlerle uğraşırız. Bu tür cisimler su veya diğer sıvılarla temas ettiğinde sıklıkla bunları emerler. Bu proje kılcal damarların canlı ve cansız organizmaların yaşamındaki önemini göstermektedir.
Araştırma çalışmasının amacı: Sıvının kılcal damarlar boyunca hareketinin nedenini fizik açısından kanıtlamak, kılcal damar olaylarının özelliklerini belirlemek.
Çalışmanın amacı: sıvıların emildiğinde kılcal damarlardan yükselme veya düşme özelliği.
Araştırma konusu: Canlı ve cansız doğadaki kılcal olaylar.
- Sıvıların özelliklerine ilişkin teorik materyalleri inceleyin.
- Kılcal damar fenomeni ile ilgili materyale aşina olun.
- Kılcal damarlardaki sıvının yükselmesinin nedenini bulmak için bir dizi deney yapın.
- Çalışma sırasında incelenen materyali özetleyin ve bir sonuç oluşturun.
Kılcal olaylarla ilgili çalışmalara geçmeden önce, kılcal olaylarda önemli rol oynayan sıvının özelliklerine aşina olmak gerekir.
Yüzey gerilimi
"Yüzey gerilimi" teriminin kendisi, yüzeydeki maddenin iç basınç adı verilen bir kuvvetin etkisiyle açıklanan "gerilim", yani stresli bir durumda olduğunu ima eder. Sıvının içindeki molekülleri yüzeyine dik bir yönde çeker. Böylece, bir maddenin iç katmanlarında yer alan moleküller, çevredeki moleküllerden ortalama olarak tüm yönlerde eşit çekime maruz kalır; yüzey katmanının molekülleri, maddelerin iç katmanlarından ve ortamın yüzey katmanını çevreleyen taraftan eşit olmayan çekime maruz kalır. Örneğin, sıvı-hava arayüzünde, yüzey katmanında bulunan sıvı molekülleri, sıvının iç katmanlarındaki komşu moleküller tarafından hava moleküllerinden daha güçlü bir şekilde çekilir. Bir sıvının yüzey katmanının özellikleri ile iç hacimlerinin özellikleri arasındaki farkın nedeni budur.
İç basınç, sıvının yüzeyinde bulunan moleküllerin içeriye doğru çekilmesine neden olur ve böylece belirli koşullar altında yüzeyi minimuma indirme eğilimi gösterir. Ara yüzeyin birim uzunluğu başına etki eden ve sıvı yüzeyinin büzülmesine neden olan kuvvete yüzey gerilim kuvveti veya basitçe yüzey gerilimi σ denir.
Farklı sıvıların yüzey gerilimi aynı değildir; molar hacimlerine, moleküllerin polaritesine, moleküllerin birbirleriyle hidrojen bağları oluşturma yeteneğine vb. bağlıdır.
Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi doğrusal olarak azalır. Bir sıvının yüzey gerilimi aynı zamanda içindeki safsızlıklardan da etkilenir. Yüzey gerilimini zayıflatan maddelere yüzey aktif maddeler (yüzey aktif maddeler) denir. Su ile ilgili olarak yüzey aktif maddeler petrol ürünleri, alkoller, eter, sabun ve diğer sıvı ve katı maddelerdir. Bazı maddeler yüzey gerilimini artırır. Örneğin tuz ve şekerin safsızlıkları.
Bununla ilgili açıklama MKT tarafından yapılıyor. Sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri, yüzey aktif madde molekülleri ile sıvı arasındaki çekim kuvvetlerinden daha büyükse, o zaman sıvının molekülleri, yüzey katmanından içeriye doğru hareket eder ve yüzey aktif madde molekülleri, yüzeye doğru itilir. yüzey. Açıkçası, tuz ve şeker molekülleri sıvının içine çekilecek ve su molekülleri yüzeye çıkmaya zorlanacaktır. Bu nedenle, yüzey olaylarının fizik ve kimyasının temel kavramı olan yüzey gerilimi, pratik açıdan en önemli özelliklerden biridir. Heterojen sistemlerin fiziği alanında yapılan herhangi bir ciddi bilimsel araştırmanın, yüzey geriliminin ölçülmesini gerektirdiği unutulmamalıdır. Yüzey gerilimini belirlemeye yönelik deneysel yöntemlerin iki yüzyılı aşkın geçmişi, basit ve kaba yöntemlerden, yüzey geriliminin yüzde yüzde biri doğrulukla belirlenmesine olanak tanıyan hassas tekniklere doğru gelişmiştir. Bu soruna olan ilgi, özellikle son yıllarda, insanın uzaya girişi ve çeşitli cihazlardaki kılcal kuvvetlerin sıklıkla belirleyici bir rol oynadığı endüstriyel inşaatın gelişmesiyle bağlantılı olarak artmıştır.
Yüzey gerilimini belirlemeye yönelik bu tür bir yöntem, iki cam plaka arasında ıslatma sıvısının yükseltilmesine dayanmaktadır. Su dolu bir kaba indirilmeli ve yavaş yavaş birbirine paralel olarak yaklaştırılmalıdır. Su, plakalar arasında yükselmeye başlayacak - yukarıda bahsedilen yüzey gerilimi kuvveti tarafından içeri çekilecektir. Yüzey gerilim katsayısı σ'yu suyun yükselme yüksekliğinden y ve plakalar arasındaki boşluktan hesaplamak kolaydır. D.
Yüzey gerilim kuvveti F= 2σ L, Nerede L– plakanın uzunluğu (ikisi, suyun her iki plakayla temas etmesi nedeniyle ortaya çıkmıştır). Bu kuvvet su kütlesi katmanını tutar M = ρ Lduρ suyun yoğunluğudur. Böylece, 2σ L = ρ Ldуg. Buradan yüzey gerilim katsayısını σ = 1/2(ρ) bulabilirsiniz. gdu). (1) Ancak bunu yapmak daha ilginç: plakaları bir ucundan birbirine bastırın ve diğer ucunda küçük bir boşluk bırakın.
Su yükselecek ve plakalar arasında şaşırtıcı derecede düzenli bir yüzey oluşturacak. Bu yüzeyin dikey düzlemdeki bir bölümü bir hiperboldür. Bunu kanıtlamak için formül (1)'de d yerine belirli bir konumdaki boşluğu yeni bir ifadeyle değiştirmek yeterlidir. Karşılık gelen üçgenlerin benzerliğinden (bkz. Şekil 2) D = D (X/L). Burada D– sonunda boşluk, L– hala plakanın uzunluğu ve X– Plakaların temas noktasından aralığın ve seviye yüksekliğinin belirlendiği yere kadar olan mesafe. Böylece, σ = 1/2(ρ kız)D(X/L), veya en= 2σ L/ρ gD(1/ X). (2) Denklem (2) aslında bir hiperbol denklemidir.
Islatma ve ıslatmama
Kılcal fenomenin ayrıntılı bir çalışması için, katı, sıvı, gaz fazlarının bir arada bulunmasının üç fazlı sınırında bulunan bazı moleküler olayları dikkate almak gerekir, özellikle bir sıvının katı bir cisimle teması dikkate alınır. . Bir sıvının molekülleri arasındaki yapışma kuvvetleri, katı bir cismin molekülleri arasındaki yapışma kuvvetlerinden daha büyükse, o zaman sıvı, mümkünse ondan geri çekilerek katı cisimle temasının sınırını (alanını) azaltma eğilimindedir. Katı bir cismin yatay yüzeyine böyle bir sıvı damlası, düzleştirilmiş bir top şeklini alacaktır. Bu durumda sıvıya katının ıslanmaması denir. Katının yüzeyi ile sıvının yüzeyine teğetin oluşturduğu θ açısına kenar açısı denir. Islanmayan θ > 90° için. Bu durumda bir sıvı tarafından ıslatılmayan katı yüzeye hidrofobik veya oleofilik denir. Sıvının molekülleri arasındaki yapışma kuvvetleri, sıvının ve katının molekülleri arasındaki yapışma kuvvetlerinden daha azsa, o zaman sıvı, katıyla temas sınırını arttırma eğilimindedir. Bu durumda sıvıya katıyı ıslatma denir; temas açısı 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.
Islanabilirlik ve ıslanmama göreceli kavramlardır: Bir katı cismi ıslatan bir sıvı, başka bir cismi ıslatmayabilir. Örneğin su camı ıslatır ama parafini ıslatmaz; Cıva camı ıslatmaz ama bakırı ıslatır.
Islanma genellikle yüzey gerilim kuvvetlerinin bir sonucu olarak yorumlanır. Hava-sıvı sınırındaki yüzey gerilimi σ 1,2, sıvı-katı sınırında σ 1,3 ve hava-katı sınırında σ 2,3 olsun.
İlgili arayüzlere teğetsel olarak yönlendirilen, sayısal olarak σ 1,2, σ 2,3, σ 1,3'e eşit olan, ıslatma çevresinin birim uzunluğu başına üç kuvvet etki eder. Denge durumunda tüm kuvvetlerin birbirini dengelemesi gerekir. σ 2,3 ve σ 1,3 kuvvetleri katı bir cismin yüzeyinin düzleminde etki eder, σ 1,2 kuvveti yüzeye θ açısıyla yönlendirilir.
Fazlar arası yüzeylerin denge durumu şu şekildedir: σ 2,3 = σ 1,3 + σ 1,2cosθ veya cosθ =(σ 2,3 − σ1,3)/σ 1,2
Cosθ değerine genellikle ıslatma adı verilir ve B harfiyle gösterilir.
Yüzeyin durumunun ıslanma üzerinde belirli bir etkisi vardır. Islanabilirlik, monomoleküler bir hidrokarbon tabakasının varlığında bile önemli ölçüde değişir. İkincisi atmosferde her zaman yeterli miktarlarda bulunur. Yüzeyin mikro-rölyefinin de ıslanma üzerinde belirli bir etkisi vardır. Bununla birlikte bugüne kadar herhangi bir yüzeyin pürüzlülüğünün herhangi bir sıvı tarafından ıslatılması üzerindeki etkisinin birleşik bir modeli henüz tanımlanmamıştır. Örneğin Wenzel-Deryagin denklemi cosθ = X cosθ0, sıvının pürüzlü (θ) ve pürüzsüz (θ 0) yüzeylerdeki temas açılarını, pürüzlü cismin gerçek yüzeyinin alanının x oranı ile düzlem üzerindeki izdüşümüne ilişkilendirir. Ancak pratikte bu denklem her zaman takip edilmemektedir. Dolayısıyla bu denkleme göre ıslanma durumunda (θ<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 – artışına (yani daha fazla hidrofobikliğe). Buna dayanarak genellikle pürüzlülüğün ıslanmaya etkisi hakkında bilgi verilir.
Birçok yazara göre, sıvının yayılırken pürüzlülükte meydana gelen tümseklerin (sırtların) geciktirici etkisini deneyimlemesi nedeniyle pürüzlü bir yüzey üzerinde sıvının yayılma hızı daha düşüktür. Kılcal damarlarda ıslanmanın ana özelliği olarak kullanılan malzemenin temiz bir yüzeyine uygulanan katı dozda sıvı damlasının oluşturduğu noktanın çapındaki değişim hızı olduğuna dikkat edilmelidir. Değeri hem yüzey fenomenine hem de sıvının viskozitesine, yoğunluğuna ve uçuculuğuna bağlıdır.
Açıkçası, diğer benzer özelliklere sahip daha viskoz bir sıvının yüzeye yayılması daha uzun sürer ve bu nedenle kılcal kanal boyunca daha yavaş akar.
Kılcal fenomen
Kılcal olay, yüzey eğriliğinin varlığında, karışmayan ortamların (sıvı-sıvı, sıvı-gaz veya buhar sistemlerinde) arayüzündeki yüzey geriliminin neden olduğu bir dizi olay. Yüzey olaylarının özel bir durumu.
Kılcal damar olayının altında yatan kuvvetleri ayrıntılı olarak inceledikten sonra, doğrudan kılcal damarlara geçmeye değer. Böylece deneysel olarak ıslatıcı bir sıvının (örneğin bir cam tüp içindeki su) kılcal borudan yükseldiği gözlemlenebilir. Dahası, kılcalın yarıçapı ne kadar küçük olursa, içindeki sıvının yüksekliği de o kadar büyük olur. Kılcal duvarlarını ıslatmayan bir sıvı (örneğin, bir cam tüpteki cıva) geniş bir kaptaki sıvı seviyesinin altına düşer. Peki neden ıslatıcı sıvı kılcal damardan yukarı çıkıyor ve ıslatmayan sıvı neden alçalıyor?
Sıvının yüzeyinin doğrudan kabın duvarlarında bir miktar kavisli olduğunu fark etmek zor değildir. Bir kabın duvarı ile temas halinde olan bir sıvının molekülleri, katı gövdenin molekülleri ile birbirlerinden daha güçlü bir şekilde etkileşime girerse, bu durumda sıvı, katı gövde ile temas alanını artırma eğilimindedir ( ıslatma sıvısı). Bu durumda sıvının yüzeyi aşağıya doğru bükülür ve bulunduğu kabın duvarlarını ıslattığı söylenir. Sıvının molekülleri birbirleriyle kabın duvarlarının moleküllerinden daha güçlü bir şekilde etkileşime girerse, o zaman sıvı katı cisimle temas alanını azaltma eğilimindedir, yüzeyi yukarı doğru kıvrılır. Bu durumda kap duvarlarının sıvı tarafından ıslanmamasından bahsediyoruz.
Çapı bir milimetrenin kesri olan dar tüplerde, sıvının kavisli kenarları tüm yüzey katmanını kaplar ve bu tür tüplerdeki sıvının tüm yüzeyi yarım küreyi andıran bir görünüme sahiptir. Bu sözde menisküs. Islanma durumunda gözlenen içbükey ve ıslanmama durumunda dışbükey olabilir. Sıvı yüzeyinin eğrilik yarıçapı tüpün yarıçapı ile aynı mertebededir. Bu durumda ıslanma ve ıslanmama olgusu aynı zamanda kılcal borunun ıslanan yüzeyi ile temas noktalarındaki menisküs arasındaki temas açısı θ ile de karakterize edilir.
Islatma sıvısının içbükey menisküsü altında basınç, düz bir yüzeye göre daha azdır. Bu nedenle, dar bir tüp (kılcal) içindeki sıvı, kılcalda düz bir yüzey seviyesinde yükselen sıvının hidrostatik basıncı, basınç farkını telafi edene kadar yükselir. Islatmayan sıvının dışbükey menisküsünün altındaki basınç, düz yüzeyin altındaki basınçtan daha fazladır ve bu, ıslatmayan sıvının batmasına neden olur.
Kılcal bir tüpte yüzey gerilim kuvvetlerinin varlığı ve sıvı yüzeyinin eğriliği, kavisli yüzeyin altındaki Laplace basıncı adı verilen ek basınçtan sorumludur: ∆ P= ± 2σ / R.
Kılcal basıncın işareti (“artı” veya “eksi”) eğriliğin işaretine bağlıdır. Dışbükey bir yüzeyin eğrilik merkezi karşılık gelen fazın içindedir. Dışbükey yüzeyler pozitif eğriliğe, içbükey yüzeyler ise negatif eğriliğe sahiptir.
Böylece kılcal borudaki bir sıvının denge koşulu eşitlikle belirlenir.
P 0 = P 0 – (2σ / R) + ρ gh (1)
burada ρ sıvının yoğunluğudur, H– borudaki yükselişinin yüksekliği, P 0 – atmosfer basıncı.
Bu ifadeden şu sonuç çıkıyor H= 2σ /ρ gr. (2)
Ortaya çıkan formülü eğrilik yarıçapını ifade ederek dönüştürelim R kılcal tüpün yarıçapı boyunca menisküs R.
Şek. 6.18 şu şekildedir R = R cosθ. (1)'i (2) yerine koyarsak şunu elde ederiz: H= 2σ cosθ /ρ gr.
Sıvının kılcal tüpteki yükseliş yüksekliğini belirleyen sonuçta ortaya çıkan formüle Jurin formülü denir. Açıkçası, tüpün yarıçapı ne kadar küçük olursa, içindeki sıvının yüksekliği de o kadar büyük olur. Ayrıca sıvının yüzey gerilim katsayısı arttıkça yükselme yüksekliği de artar.
Islatma sıvısının kılcal damardan yükselişi başka bir şekilde açıklanabilir. Daha önce de belirtildiği gibi yüzey gerilim kuvvetlerinin etkisi altında sıvının yüzeyi büzülme eğilimi gösterir. Sonuç olarak içbükey menisküsün yüzeyi düzleşme ve düzleşme eğilimi gösterir. Aynı zamanda altında bulunan sıvı parçacıklarını da çeker ve sıvı kılcal damardan yukarıya doğru yükselir. Ancak dar bir tüpteki sıvının yüzeyi düz kalamaz, içbükey bir menisküs şeklinde olması gerekir. Bu yüzey yeni bir pozisyonda menisküs şeklini alır almaz tekrar kasılma eğiliminde olacaktır, vb. Bu nedenlerin bir sonucu olarak ıslatma sıvısı kılcal damardan yükselir. Yükseltilmiş sıvı sütununun yüzeyi aşağı çeken yerçekimi kuvveti F, yüzeydeki her noktaya teğetsel olarak yönlendirilen yüzey gerilim kuvvetlerinin bileşke kuvvetini (F) dengelediğinde kaldırma duracaktır.
Sıvı yüzeyinin kılcal duvarla temas çemberi boyunca, yüzey gerilim katsayısı ile çevrenin çarpımına eşit bir yüzey gerilim kuvveti vardır: 2σπ R, Nerede R– kılcal damarın yarıçapı.
Yükselen sıvıya etki eden yer çekimi kuvveti
F kordon = mg = ρ Vg = ρπ R^2hg
burada ρ sıvının yoğunluğudur; H– kılcaldaki sıvı sütununun yüksekliği; G– yer çekiminin yapısı.
Sıvının yükselişi durur F kordon = F veya ρπ R^2hg= 2σπ R. Dolayısıyla kılcalda yükselen sıvının yüksekliği H= 2σ /ρ gr.
Islanmayan bir sıvı durumunda, yüzeyini küçültmeye çalışan ikincisi aşağıya doğru batacak ve sıvıyı kılcal damardan dışarı itecektir.
Türetilen formül aynı zamanda ıslatmayan bir sıvıya da uygulanabilir. Bu durumda H– kılcal damardaki sıvı inişinin yüksekliği.
Doğadaki kılcal olaylar
Kılcal damar olayı da doğada çok yaygındır ve insan pratiğinde sıklıkla kullanılır. Etrafımızdaki ahşap, kağıt, deri, tuğla ve daha birçok nesnede kılcal damarlar bulunur. Kılcal damarlar sayesinde su, bitkilerin gövdeleri boyunca yükselir ve havluyla kurulandığımızda havlunun içine emilir. Bir parça şekerdeki küçük deliklerden su çıkarmak, parmaktan kan almak da kılcal damar olaylarının örnekleridir.
İnsanın dolaşım sistemi, çok kalın damarlarla başlayıp, çok dallanmış, ince kılcal damarlardan oluşan bir ağla sona erer. Örneğin aşağıdaki veriler ilginizi çekebilir. Aortun kesit alanı 8 cm2'dir. Bir kılcal damarın çapı, 0,5 mm uzunluğundaki insan saçının çapından 50 kat daha küçük olabilir. Yetişkin insan vücudunda yaklaşık 160 milyar kılcal damar bulunmaktadır. Toplam uzunlukları 80 bin km'ye ulaşıyor.
Toprakta bulunan çok sayıda kılcal damar sayesinde derin katmanlardan gelen su yüzeye çıkar ve yoğun bir şekilde buharlaşır. Nem kaybı sürecini yavaşlatmak için tırmıklar, kültivatörler ve sökücüler kullanılarak toprağı gevşeterek kılcal damarlar yok edilir.
Pratik kısım
İç çapı çok küçük olan bir cam tüp alalım ( 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.
Suyun yüzey gerilim kuvvetlerinin etkisiyle sıvının yükseldiği basit bir deneyle gözlemlenebilir. Temiz bir bez alıp bir ucunu bir bardak suya batıralım, diğer ucunu da bardağın kenarına asalım. Su, kılcal borulara benzer şekilde kumaşın gözeneklerinden yükselmeye başlayacak ve kumaşın tamamını doyuracaktır. Fazla su asılı uçtan damlayacaktır (bkz. fotoğraf 2).
Deney için açık renkli bir kumaş alırsanız fotoğrafta suyun kumaşa nasıl yayıldığını görmek çok zordur. Ayrıca tüm kumaşların sarkan uçtan fazla su damlaması olmayacağını unutmayın. Bu deneyi iki kez yaptım. İlk kez hafif kumaş (pamuklu triko) kullandığımızda; Su asılı uçtan damlalar halinde çok güzel akıyordu. İkinci kez koyu renkli kumaş kullandık (karışık elyaflı triko - pamuk ve sentetik); Suyun kumaşa nasıl yayıldığı açıkça görülüyordu ancak asılı uçtan hiçbir damla düşmedi.
Sıvının kılcal damarlardan yükselmesi, sıvı moleküllerin birbirlerine olan çekim kuvvetleri, katı bir cismin moleküllerine olan çekim kuvvetlerinden daha az olduğunda meydana gelir. Bu durumda sıvının katıyı ıslattığı söylenir.
Çok ince olmayan bir tüp alıp içine su doldurup parmağınızla tüpün alt ucunu kapatırsanız tüp içindeki su seviyesinin içbükey olduğunu göreceksiniz (Şek. 9).
Bu, su moleküllerinin, damar duvarlarındaki moleküllere birbirlerinden daha fazla çekilmesinin sonucudur.
Tüm sıvılar ve tüm tüplerdeki duvarlara "yapışmaz". Ayrıca, kılcal damardaki sıvının, yüzeyi dışbükey iken geniş bir kaptaki seviyenin altına düşmesi de olur. Böyle bir sıvının bir katının yüzeyini ıslatmadığı söylenir. Sıvı moleküllerin birbirlerine olan çekimi, damar duvarlarının moleküllerine göre daha güçlüdür. Örneğin cıva bir cam kılcal damar içinde bu şekilde davranır. (Şek.10)
Çözüm
Dolayısıyla, bu çalışma sırasında şuna ikna oldum:
- Kılcal olaylar doğada büyük bir rol oynar.
- Kılcal borudaki sıvının yükselişi, kılcal borudaki sıvı sütununa etki eden yerçekimi kuvveti, ortaya çıkan kuvvete eşit büyüklükte oluncaya kadar devam eder.
- Kılcal damarlardaki ıslatıcı sıvı yükselir, ıslatmayan sıvı ise aşağı doğru hareket eder.
- Kılcalda yükselen sıvının yüksekliği yüzey gerilimiyle doğru orantılı, kılcal kanalın yarıçapı ve sıvının yoğunluğuyla ters orantılıdır.
Yüzey gerilimi ve sıvıların ıslanması kullanılarak açıklanabilecek süreçler arasında kılcal olayını vurgulamakta fayda var. Fizik gizemli ve olağanüstü bir bilimdir ve onsuz Dünya'daki yaşamın imkansız olacağı bir bilimdir. Bu önemli disiplinin en çarpıcı örneğine bakalım.
Yaşam pratiğinde, fizik açısından kılcal damar olayları gibi ilginç süreçler oldukça sık meydana gelir. Mesele şu ki, günlük yaşamda sıvıyı kolayca emen birçok cisimle çevriliyiz. Bunun nedeni gözenekli yapıları ve temel fizik kanunlarıdır ve sonuç kılcal damar olayıdır.
Dar tüpler
Kılcal, sıvının özel bir şekilde davrandığı çok dar bir tüptür. Doğada bu tür damarların pek çok örneği vardır - dolaşım sisteminin kılcal damarları, gözenekli cisimler, toprak, bitkiler vb.
Kılcal olay, sıvıların dar tüplerden yükselmesi veya alçalmasıdır. Bu tür işlemler insanların, bitkilerin ve diğer vücutların doğal kanallarının yanı sıra özel dar cam kaplarda da gözlenir. Resim, farklı kalınlıktaki iletişim borularında farklı su seviyelerinin oluştuğunu göstermektedir. Kap ne kadar ince olursa su seviyesinin de o kadar yüksek olduğu belirtiliyor.
Bu olgular, havlunun emici özelliklerinin, bitkilerin beslenmesinin, mürekkebin çubuk boyunca hareketinin ve diğer birçok işlemin temelini oluşturur.
Doğadaki kılcal olaylar
Yukarıda açıklanan süreç bitki yaşamının sürdürülmesi için son derece önemlidir. Toprak oldukça gevşektir; parçacıkları arasında kılcal bir ağ oluşturan boşluklar vardır. Su bu kanallardan yükselerek bitkilerin kök sistemini nem ve gerekli tüm maddelerle besler.
Sıvı, aynı kılcal damarlar aracılığıyla aktif olarak buharlaşır, bu nedenle kanalları yok edecek ve besin maddelerini tutacak toprağı sürmek gerekir. Tersine, sıkıştırılmış toprak nemi daha hızlı buharlaştıracaktır. Bu, toprak altı sıvısını tutmak için toprağı sürmenin önemini açıklar.
Bitkilerde kılcal sistem, nemin küçük köklerden en üst kısımlara kadar yükselmesini ve yapraklar aracılığıyla buharlaşarak dış ortama yayılmasını sağlar.
Yüzey gerilimi ve ıslatma
Sıvıların kaplardaki davranışı sorusu, yüzey gerilimi ve ıslanma gibi fiziksel süreçlere dayanmaktadır. Bunların neden olduğu kılcal damar olayları karmaşık bir şekilde incelenmiştir.
Yüzey geriliminin etkisi altında kılcal damarlardaki ıslatma sıvısı, iletişim kuran damarlar kanununa göre olması gereken seviyenin üzerindedir. Tersine, ıslatmayan madde bu seviyenin altında bulunur.
Böylece, bir cam tüp içindeki su (ıslatma sıvısı), kap ne kadar ince olursa o kadar yüksek bir yüksekliğe çıkar. Aksine, kap ne kadar ince olursa, cam test tüpündeki (ıslanmayan bir sıvı) cıva da o kadar düşük olur. Ayrıca resimde görüldüğü gibi ıslatıcı sıvı menisküsün içbükey şeklini, ıslatmayan sıvı ise dışbükey bir şekil oluşturur.
ıslatma
Bu, bir sıvının bir katıyla (başka bir sıvı, gazlar) temas ettiği sınırda meydana gelen bir olgudur. Moleküllerin temas sınırındaki özel etkileşimi nedeniyle ortaya çıkar.
Tam ıslanma, damlanın bir katının yüzeyine yayıldığı, ıslanmamanın ise onu bir küreye dönüştürdüğü anlamına gelir. Uygulamada, bir veya daha fazla ıslanma derecesi aşırı seçeneklerden daha yaygındır.
Yüzey gerilim kuvveti
Damlanın yüzeyi küresel bir şekle sahiptir ve bunun nedeni sıvılara etki eden yasa olan yüzey gerilimidir.
Kılcallık olayı, tüpteki sıvının içbükey tarafının, yüzey gerilimi kuvvetleri nedeniyle düz bir duruma doğru düzleşme eğiliminde olmasından kaynaklanmaktadır. Buna, dış parçacıkların altlarındaki cisimleri yukarı doğru taşıması ve maddenin tüpün yukarısına çıkması da eşlik eder. Ancak kılcal damardaki sıvı düz bir yüzey şekli alamaz ve bu yükselme süreci belli bir denge noktasına kadar devam eder. Su sütununun yükseleceği (düşeceği) yüksekliği hesaplamak için aşağıda sunulacak formülleri kullanmanız gerekir.
Su sütununun yüksekliğinin hesaplanması
Dar bir tüpteki suyun yükselişinin durduğu an, maddenin yerçekimi kuvveti (P) yüzey gerilimi kuvvetini (F) dengelediğinde meydana gelir. Bu an, sıvının yükseliş yüksekliğini belirler. Kılcal damar fenomenine iki farklı yönlendirilmiş kuvvet neden olur:
- yerçekimi kuvveti P ipliği sıvıyı aşağı düşmeye zorlar;
- Yüzey gerilim kuvveti F suyu yukarıya doğru hareket ettirir.
Sıvının tüpün duvarlarıyla temas halinde olduğu daire etrafında etki eden yüzey gerilim kuvveti şuna eşittir:
burada r tüpün yarıçapıdır.
Tüpteki sıvıya etki eden yerçekimi kuvveti:
P ipliği = ρπr2hg,
burada ρ sıvının yoğunluğudur; h, tüpteki sıvı kolonunun yüksekliğidir;
Yani, P ağır = F olması koşuluyla maddenin yükselmesi duracaktır; bu şu anlama gelir:
ρπr 2 hg = σ2πr,
dolayısıyla tüpteki sıvının yüksekliği:
Benzer şekilde ıslatmayan bir sıvı için:
h, tüpteki maddenin yüksekliğidir. Formüllerden de görülebileceği gibi dar bir kaptaki suyun yükseldiği (düştüğü) yükseklik kabın yarıçapı ve sıvının yoğunluğu ile ters orantılıdır. Bu, ıslatıcı ve ıslatmayan sıvılar için geçerlidir. Diğer durumlarda, bir sonraki bölümde anlatılacak olan menisküs şeklinde bir ayarlama yapılması gerekir.
Laplace basıncı
Daha önce de belirtildiği gibi, dar tüplerdeki sıvı öyle davranır ki, sanki gemilerin iletişim kurma kanunu ihlal ediliyormuş gibi görünür. Bu gerçek her zaman kılcal damar fenomenine eşlik eder. Fizik bunu, sıvı ıslandığında yukarıya doğru yönlendirilen Laplace basıncını kullanarak açıklıyor. Çok dar bir tüpü suya indirerek sıvının belirli bir h seviyesine kadar nasıl çekildiğini gözlemliyoruz. Haberleşme gemileri kanununa göre dış su seviyesi ile dengelenmesi gerekiyordu.
Bu tutarsızlık Laplace basıncı p l'nin yönü ile açıklanmaktadır:
Bu durumda yukarı doğru yönlendirilir. Su, su kolonunun hidrostatik basıncı pg ile dengelenecek seviyeye kadar tüpün içine çekilir:
ve eğer p l =p g ise denklemin iki kısmını eşitleyebiliriz:
Artık h yüksekliği bir formül olarak kolayca türetilebilir:
Islanma tamamlandığında suyun içbükey yüzeyini oluşturan menisküs yarımküre şeklini alır ve burada Ɵ=0 olur. Bu durumda R küresinin yarıçapı, r kılcal damarının iç yarıçapına eşit olacaktır. Buradan şunu anlıyoruz:
Eksik ıslanma durumunda, ≠0 olduğunda kürenin yarıçapı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
Daha sonra açıya göre düzeltilmiş istenen yükseklik şuna eşit olacaktır:
h=(2σ/pqr)cos Ɵ .
Sunulan denklemlerden, h yüksekliğinin r tüpünün iç yarıçapı ile ters orantılı olduğu açıktır. Su en yüksek yüksekliğine kılcal damar adı verilen insan saçı çapındaki damarlarda ulaşır. Bilindiği gibi, ıslatıcı bir akışkan yukarıya doğru çekilir, ıslatmayan bir akışkan ise aşağıya doğru itilir.
Biri geniş, diğeri çok dar olan iletişim kaplarını alarak bir deney yapabilirsiniz. İçine su döktükten sonra farklı bir sıvı seviyesine dikkat edebilirsiniz ve ıslatıcı maddeli versiyonda dar tüpteki seviye daha yüksek, ıslanmayan bir maddeyle ise daha düşüktür.
Kılcal damar olaylarının önemi
Kılcal damar fenomeni olmadan canlı organizmaların varlığı kesinlikle imkansızdır. İnsan vücudunun oksijen ve besin aldığı en küçük damarlardan geçer. Bitki kökleri, yerden nemi çeken ve onu en üstteki yapraklara taşıyan bir kılcal damar ağıdır.
Kılcal olay olmadan basit ev temizliği imkansızdır çünkü bu prensibe göre kumaş suyu emer. Havlu, mürekkep, kandildeki fitil ve birçok cihaz bu temelde çalışır. Teknolojideki kılcal olaylar, gözenekli cisimlerin kurutulmasında ve diğer işlemlerde önemli bir rol oynamaktadır.
Bazen bu aynı olaylar istenmeyen sonuçlar doğurabilir; örneğin tuğlanın gözenekleri nemi emer. Yeraltı suyunun etkisi altında binaların ıslanmasını önlemek için, temeli su yalıtım malzemeleriyle (bitüm, çatı kaplama keçesi veya çatı kaplama keçesi) korumanız gerekir.
Yağmur sırasında kıyafetlerin ıslanması (örneğin, su birikintilerinden geçerken dizlere kadar uzanan pantolonlar) da kılcal damar fenomeninden kaynaklanmaktadır. Çevremizde bu doğa olayının pek çok örneği bulunmaktadır.
Çiçeklerle denemeler yapın
Kılcal damar olaylarının örnekleri doğada, özellikle de bitkiler söz konusu olduğunda bulunabilir. Gövdelerinin içinde çok sayıda küçük kap bulunur. Kılcal damar olayının bir sonucu olarak bir çiçeğin parlak bir renge boyanmasını deneyebilirsiniz.
Parlak renkli su ve beyaz bir çiçek (veya bir Çin lahanası yaprağı, bir kereviz sapı) alıp bu sıvıyla birlikte bir bardağa koymanız gerekir. Bir süre sonra Çin lahanasının yapraklarında boyanın nasıl yukarı doğru hareket ettiğini gözlemleyebilirsiniz. Bitkinin rengi, yerleştirildiği boyaya göre yavaş yavaş değişecektir. Bunun nedeni, bu makalede tartıştığımız yasalara göre maddenin gövdelerden yukarıya doğru hareket etmesidir.
Tüplerdeki seviyeyi değiştirin, keyfi şekilli dar kanallar, gözenekli gövdeler. Kanalların cam tüplerdeki su, kum, toprak vb. sıvılarla ıslandığı durumlarda sıvıda artış meydana gelir. Sıvıyla ıslanmayan tüplerde ve kanallarda örneğin civa gibi sıvılarda sıvı azalması meydana gelir. cam tüp.
Hayvanların ve bitkilerin hayati faaliyetleri, kimyasal teknolojiler ve günlük olaylar (örneğin, gazyağı lambasının fitili boyunca gazyağının kaldırılması, ellerin havluyla silinmesi) kılcallığa dayanmaktadır. Toprağın kılcallığı, suyun toprakta yükselme hızına göre belirlenir ve toprak parçacıkları arasındaki boşlukların boyutuna bağlıdır.
Kılcal damarlar ince tüplerdir ve aynı zamanda insan vücudundaki ve diğer hayvanlardaki en ince damarlardır (bkz. Kılcal damar (biyoloji)).
Ayrıca bakınız
Edebiyat
- Prokhorenko P.P. Ultrasonik kılcal etki / P.P. Prokhorenko, N.V. Dezhkunov, G.E. Konovalov; Ed. V. V. Klubovich. 135 s. Minsk: “Bilim ve Teknoloji”, 1981.
Bağlantılar
- Gorin Yu.V. Yaratıcı problemlerin çözümünde kullanılacak fiziksel etkiler ve fenomenler dizini (TRIZ aracı) // Bölüm. 1.2 Sıvıların yüzey gerilimi. Kılcallık.
Wikimedia Vakfı. 2010.
Diğer sözlüklerde “Kılcal (fizik)” in ne olduğuna bakın:
Kılcal kelimesi, içinden sıvının geçebileceği çok dar tüpleri tanımlamak için kullanılır. Daha fazla ayrıntı için Kılcal etki makalesine bakın. Kılcal (biyoloji) en küçük kan damarı türüdür. Kılcal (fizik) Kılcal... ... Vikipedi
Süperakışkanlık için Landau kriteri, bir sistemin süperakışkan durumda olma olasılığını belirleyen, bir sistemin (fononlar) temel uyarılmalarının enerjileri ve momentumları arasındaki ilişkidir. İçindekiler 1 Kriterin formülasyonu 2 Kriterin sonucu ... Wikipedia
Tek bir rafta ticari soğutma ekipmanlarının bölünmüş sistemleri ve kondansatörlerinin (fan soğutma kuleleri) harici ünitesi Soğutma makinelerinin çalışmasına dayalı iklim ve soğutma ekipmanı ekipmanı ... Wikipedia
Gaz kelebeği boyunca sabit bir basınç düşüşünün etkisi altında yavaş akışının bir sonucu olarak gaz sıcaklığındaki bir değişiklik; gaz akışına yönelik yerel bir engel (yol boyunca boruda bulunan kılcal, valf veya gözenekli bölme... .. .
Atmosfer basıncında 4,2 K sıcaklıkta (sıvı 4He) kaynayan, renksiz şeffaf bir sıvıdır. 4,2 K sıcaklıkta sıvı helyumun yoğunluğu 0,13 g/cm³'tür. Düşük kırılma indisine sahiptir, çünkü... ... Vikipedi
Fışkırma etkisi, süperakışkan bir sıvıda sıcaklık farkının (ΔТ) neden olduğu basınç farkının (Δр) ortaya çıkması (bkz. Süperakışkanlık). T. e. iki kaptaki sıvı seviyelerindeki farklılıkta kendini sıvı süperakışkan helyumda gösterir,... ... Büyük Sovyet Ansiklopedisi
Her birimiz sıvı olarak kabul ettiği birçok maddeyi kolaylıkla hatırlayabiliriz. Ancak maddenin bu halinin kesin bir tanımını yapmak o kadar kolay değildir, çünkü sıvılar öyle fiziksel özelliklere sahiptir ki bazı açılardan... ... Collier Ansiklopedisi
Kılcallık (Latince kılcal kıllardan), kılcal etki, sıvıların tüplerdeki seviyeyi değiştirme yeteneğinden, keyfi şekilli dar kanallardan, gözenekli cisimlerden oluşan fiziksel bir olgudur. Aşağıdaki durumlarda sıvıda bir artış meydana gelir: ... Vikipedi
