Kapillyar hodisalar, suyuqlikning boshqa muhit bilan interfeysida uning sirtining egriligi bilan bog'liq sirt hodisalari. Suyuqlik yuzasining gaz fazasi bilan chegarasidagi egriligi suyuqlikning sirt tarangligining ta'siri natijasida yuzaga keladi, bu interfeysni qisqartirishga va suyuqlikning cheklangan hajmiga sharsimon shakl berishga intiladi. To'p ma'lum hajm uchun minimal sirt maydoniga ega bo'lganligi sababli, bu shakl suyuqlikning minimal sirt energiyasiga to'g'ri keladi, ya'ni. uning barqaror muvozanat holati. Suyuqlikning etarlicha katta massalari bo'lsa, sirt tarangligining ta'siri tortishish bilan qoplanadi, shuning uchun past viskoziteli suyuqlik tezda quyilgan idishning shaklini oladi va erkin bo'ladi. yuzasi deyarli tekis ko'rinadi.
Gravitatsiya bo'lmaganda yoki juda kichik massalar bo'lsa, suyuqlik doimo sharsimon shaklni (tomchi) oladi, uning sirtining egriligi ko'plik bilan belgilanadi. materiyaning xossalari. Shuning uchun kapillyar hodisalar aniq ifodalanadi va vaznsizlik sharoitida, suyuqlikni gaz muhitida maydalash (yoki suyuqlikdagi gazning atomizatsiyasi) va ko'p tomchilar yoki pufakchalar (emulsiyalar, aerozollar) dan iborat tizimlarning shakllanishida muhim rol o'ynaydi. , ko'piklar), bug'larning kondensatsiyasi paytida suyuqlik tomchilarining yangi bosqichining paydo bo'lishi paytida, qaynash paytida bug' pufakchalari, kristallanish yadrolari. Suyuqlik kondensatsiyalangan jismlar (boshqa suyuqlik yoki qattiq) bilan aloqa qilganda, interfeysning egriligi fazalararo kuchlanish natijasida yuzaga keladi.
Namlashda, masalan, suyuqlik idishning qattiq devori bilan aloqa qilganda, qattiq va suyuqlik molekulalari o'rtasida ta'sir qiluvchi jozibador kuchlar uning idish devori bo'ylab ko'tarilishiga olib keladi, natijada shundan suyuqlik yuzasining devorga ulashgan qismi konkav shaklini oladi. Tor kanallarda, masalan, silindrsimon kapillyarlarda konkav menisk hosil bo'ladi - suyuqlikning to'liq kavisli yuzasi (1-rasm).
Guruch. 1. Kapillyarning balandlikka ko'tarilishi h radiusli kapillyarning devorlarini namlaydigan suyuqlik r; q - kontakt burchagi.
Kapillyar bosim.
Sirt (interfasial) kuchlanish kuchlari suyuqlik yuzasiga tangensial ravishda yo'naltirilganligi sababli, ikkinchisining egriligi suyuqlik hajmiga yo'naltirilgan komponentning paydo bo'lishiga olib keladi. Natijada, kapillyar bosim paydo bo'ladi, uning qiymati Dp Laplas tenglamasi bo'yicha sirtning o'rtacha egrilik radiusi r 0 bilan bog'liq:
Dp = p 1 - p 2 = 2s 12 /r 0 , (1)
bu erda p 1 va p 2 - suyuqlik 1 va qo'shni faza 2 (gaz yoki suyuqlik)dagi bosim, s 12 - sirt (interfasial) kuchlanish.
Agar suyuqlik yuzasi konkav bo'lsa (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 belgisi teskari. Kapillyar devorlarni suyuqlik bilan namlashda yuzaga keladigan manfiy kapillyar bosim suyuqlik ustunining og'irligi katta bo'lgunga qadar suyuqlik kapillyarga so'rilib ketishiga olib keladi. h bosim farqini muvozanatlashtirmaydi Dp. Muvozanat holatida kapillyar ko'tarilish balandligi Jurin formulasi bilan aniqlanadi:
bu yerda r 1 va r 2 - suyuqlik 1 va 2 muhitning zichligi, g - tortishish tezlashishi, r - kapillyarning radiusi, q - aloqa burchagi. Kapillyar devorlarni ho'llamaydigan suyuqliklar uchun cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).
(2) ifodadan suyuqlikning kapillyar konstantasi aniqlanadi A= 1/2. U uzunlik o'lchamiga ega va chiziqli o'lchamni tavsiflaydi Z[A, Bunda kapillyar hodisalar sezilarli bo'ladi.Demak, 20 ° C da suv uchun a = 0,38 sm.Kuchsiz tortishish (g:0) qiymatida A ortadi. Zarrachalar bilan aloqa qilish sohasida kapillyar kondensatsiya pasaytirilgan bosim Dp ta'sirida zarrachalarning qisqarishiga olib keladi.< 0.
Kelvin tenglamasi.
Suyuqlik yuzasining egriligi uning ustidagi muvozanat bug 'bosimining o'zgarishiga olib keladi R to'yingan bug 'bosimi bilan solishtirganda ps bir xil haroratda tekis sirt ustida T. Ushbu o'zgarishlar Kelvin tenglamasi bilan tavsiflanadi:
bu yerda suyuqlikning molyar hajmi, R gaz doimiysi. Bug 'bosimining pasayishi yoki ortishi sirt egrilik belgisiga bog'liq: qavariq yuzalar ustida (r 0 > 0) p>ps; botiq ustida (r 0< 0) R< р s . . Shunday qilib, tomchilar ustida bug 'bosimi ortadi; pufakchalarda, aksincha, kamayadi.
Kelvin tenglamasiga asoslanib, kapillyarlar yoki gözenekli jismlarning to'ldirilishi hisoblanadi kapillyar kondensatsiya. Qadriyatlardan beri R har xil kattalikdagi zarrachalar uchun yoki sirtning tushkunliklari va o'simtalari bo'lgan joylari uchun har xil bo'ladi, (3) tenglama tizimning muvozanat holatiga o'tish davrida materiyaning o'tish yo'nalishini ham aniqlaydi. Bu, xususan, nisbatan katta tomchilar yoki zarralar kichikroqlarining bug'lanishi (eriishi) tufayli o'sib borishiga olib keladi va kristall bo'lmagan jismlarning sirt notekisliklari o'simtalarning erishi va chuqurliklarning bitishi tufayli tekislanadi. Bug 'bosimi va eruvchanligidagi sezilarli farqlar faqat etarlicha kichik r 0 (suv uchun, masalan, r 0 da) da sodir bo'ladi. Shuning uchun Kelvin tenglamasi ko'pincha kolloid tizimlar va g'ovakli jismlarning holatini va ulardagi jarayonlarni tavsiflash uchun ishlatiladi.
Guruch. 2. Suyuqlikning uzunlik bo'ylab harakatlanishi l r radiusli kapillyarda; q - aloqa burchagi.
Kapillyar emdirish.
Konkav meniskuslar ostida bosimning pasayishi suyuqlikning mayda egrilik radiusi bo'lgan menisklarga qarab kapillyar harakatining sabablaridan biridir. Buning alohida holati g'ovakli jismlarning singdirilishi - suyuqliklarning liofil gözenekler va kapillyarlarga o'z-o'zidan so'rilishi (2-rasm). Tezlik v Meniskusning gorizontal joylashgan kapillyarda (yoki tortishish ta'siri kichik bo'lgan juda nozik vertikal kapillyarda) harakati Puazeyl tenglamasi bilan aniqlanadi:
Qayerda l- so'rilgan suyuqlik kesimining uzunligi, h - uning yopishqoqligi, Dp - kesmadagi bosimning pasayishi l, meniskusning kapillyar bosimiga teng: Dp = - 2s 12 cos q/r. Agar aloqa burchagi q tezlikka bog'liq bo'lmasa v, vaqt o'tishi bilan so'rilgan suyuqlik miqdorini hisoblashingiz mumkin t nisbatdan:
l(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)
Agar q funksiya bo'lsa v, Bu l Va v murakkabroq bog‘liqliklar bilan bog‘langan.
(4) va (5) tenglamalar yog'ochni antiseptiklar bilan davolashda, gazlamalarni bo'yashda, g'ovakli muhitlarga katalizatorlarni qo'llashda, tog' jinslarining qimmatli tarkibiy qismlarini yuvish va diffuziya orqali olishda va hokazolarda emdirish tezligini hisoblash uchun ishlatiladi. Emdirishni tezlashtirish uchun sirt faol moddalar: ko'pincha kontakt burchagini kamaytirish orqali namlashni yaxshilaydigan q. Kapillyar singdirish variantlaridan biri bu bir suyuqlikning g'ovakli muhitdan boshqasiga siljishi bo'lib, u birinchi bilan aralashmaydi va teshiklar yuzasini yaxshiroq namlaydi. Bu, masalan, sirt faol moddalarning suvli eritmalari bilan qatlamlardan yog' qoldiqlarini olish usullari va simob porosimetriya usullarining asosidir. Eritmalarning g'ovaklariga kapillyar singishi va aralashmaydigan suyuqliklarning g'ovaklardan siljishi, komponentlarning adsorbsiyasi va tarqalishi bilan birga, fizik-kimyoviy gidrodinamika tomonidan ko'rib chiqiladi.
Suyuqlikning tavsiflangan muvozanat holatlari va uning g'ovak va kapillyarlardagi harakati bilan bir qatorda, kapillyar hodisalarga juda kichik hajmdagi suyuqliklarning, xususan, nozik qatlamlar va plyonkalarning muvozanat holatlari ham kiradi. Bu kapillyar hodisalar ko'pincha II tip kapillyar hodisalar deb ataladi. Ular, masalan, suyuqlikning sirt tarangligining tomchilar radiusiga va chiziqli tarangligiga bog'liqligi bilan tavsiflanadi. Kapillyar hodisalarni birinchi marta Leonardo da Vinchi (1561), B. Paskal (17-asr) va J. Yurin (18-asr) kapillyar naychalar bilan tajribalarda oʻrgangan. Kapillyar hodisalar nazariyasi P. Laplas (1806), T.Yang (1804), A. Yu. Davydov (1851), J. V. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886) asarlarida ishlab chiqilgan. Ikkinchi turdagi kapillyar hodisalar nazariyasining rivojlanishi B.V.Deryagin va L.M.Shcherbakovlarning ishlaridan boshlandi.
Namlashda sirt egriligi yuzaga keladi, sirt qatlamining xususiyatlarini o'zgartiradi. Egri sirtda ortiqcha erkin energiya mavjudligi kapillyar hodisalar deb ataladigan hodisalarga olib keladi - juda noyob va muhim.
Keling, avvalo sovun pufagi misolidan foydalanib, sifatli tekshiruv o'tkazamiz. Agar qabariqni puflash jarayonida trubaning uchini ochsak, uning uchida joylashgan qabariq hajmi kamayib, trubka ichiga tortilishini ko'ramiz. Ochiq tomondan havo atmosfera bilan aloqa qilganligi sababli, sovun pufagining muvozanat holatini saqlab turish uchun uning ichidagi bosim tashqi tomondan kattaroq bo'lishi kerak edi. Agar siz trubkani monometrga ulasangiz, unda ma'lum darajadagi farq qayd etiladi - pufak yuzasining konkav tomonidagi gazning volumetrik fazasida ortiqcha bosim DP.
Muvozanat holatida bo‘lgan va sharsimon sirt bilan ajratilgan ikki hajmli faza o‘rtasida DP va sirt egrilik radiusi 1/r o‘rtasida miqdoriy bog‘lanishni o‘rnatamiz. (masalan, suyuqlikdagi gaz pufakchasi yoki bug 'fazasidagi suyuqlik tomchisi). Buning uchun erkin energiyaning umumiy termodinamik ifodasini T = const va moddaning bir fazadan ikkinchi fazaga o'tmasligi dn i = 0. Muvozanat holatida sirtdagi o'zgarishlar ds va hajm dV. mumkin. V dV ga, s ds ga oshsin. Keyin:
dF = - P 1 dV 1 - P 2 dV 2 + sds.
Muvozanatda dF = 0. dV 1 = dV 2 ekanligini hisobga olib, topamiz:
P 1 - P 2 = s ds/dV.
Shunday qilib, P 1 > P 2. V 1 = 4/3 p r 3 ekanligini hisobga olsak, bu erda r - egrilik radiusi, biz quyidagilarni olamiz:
Almashtirish Laplas tenglamasini beradi:
P 1 - P 2 = 2s / r. (1)
Umumiy holda, asosiy egrilik radiuslari r 1 va r 2 bo'lgan aylanish ellipsoidi uchun Laplas qonuni shakllantiriladi:
P 1 - P 2 = s / (1/R 1 - 1/R 2).
R 1 = r 2 uchun (1), r 1 = r 2 = ¥ (tekislik) uchun P 1 = P 2 ni olamiz.
DP farqi kapillyar bosim deb ataladi. Kapillyar hodisalar nazariyalarining asosi bo'lgan Laplas qonunining fizik ma'nosi va oqibatlarini ko'rib chiqamiz.Tenglama ko'rsatadiki, massa fazalarida bosim farqi s ning ortishi va egrilik radiusi kamayishi bilan ortadi. Shunday qilib, dispersiya qanchalik yuqori bo'lsa, sharsimon sirtli suyuqlikning ichki bosimi shunchalik yuqori bo'ladi. Masalan, bug 'fazasida bir tomchi suv uchun r = 10 -5 sm, DP = 2. 73. 10 5 din/sm 2 » 15 da. Shunday qilib, bug 'bilan solishtirganda tomchi ichidagi bosim bug' fazasiga qaraganda 15 atm yuqori. Shuni esda tutish kerakki, fazalarning yig'ilish holatidan qat'i nazar, muvozanat holatida sirtning botiq tomonidagi bosim har doim qavariq tomoniga qaraganda kattaroq bo'ladi.Uran s ni eksperimental o'lchash uchun asos bo'lib xizmat qiladi. maksimal qabariq bosimi usuli yordamida. Kapillyar bosim mavjudligining eng muhim oqibatlaridan biri kapillyardagi suyuqlikning ko'tarilishidir.
Suyuqlik tarkibida kapillyar hodisalar kuzatiladi
Devorlari orasidagi masofa suyuqlik yuzasining egrilik radiusi bilan mutanosib bo'lgan tor tomirlarda. Egrilik suyuqlikning tomir devorlari bilan o'zaro ta'siri natijasida yuzaga keladi. Kapillyar tomirlardagi suyuqlikning o'ziga xos xatti-harakati suyuqlikning idishning devorlarini namlashi yoki ho'llamasligiga, aniqrog'i kontakt burchagi qiymatiga bog'liq.
Ikki kapillyardagi suyuqlik sathining holatini ko'rib chiqamiz, ulardan biri liofil sirtga ega va shuning uchun uning devorlari namlangan, ikkinchisi esa liofob sirtga ega va namlanmaydi. Birinchi kapillyarda sirt manfiy egrilikka ega. Laplasning qo'shimcha bosimi suyuqlikni cho'zishga intiladi. (bosim egrilik markaziga qaratilgan). Sirt ostidagi bosim tekis sirtdagi bosimdan past bo'ladi. Natijada, suzuvchi kuch paydo bo'lib, kapillyardagi suyuqlikni ustunning og'irligi ta'sir qiluvchi kuchni muvozanatlashtirguncha ko'taradi.Ikkinchi kapillyarda sirtning egriligi musbat, suyuqlikka qo'shimcha bosim yo'naltiriladi, natijada. , kapillyardagi suyuqlik pastga tushadi.
Muvozanat holatida Laplas bosimi h balandlikdagi suyuqlik ustunining gidrostatik bosimiga teng:
DP = ± 2s/r = (r - r o) gh, bu erda r, r o - suyuqlik va gaz fazasining zichligi, g - tortishish tezlashishi, r - menisk radiusi.
Kapillyar ko'tarilish balandligini namlanish xarakteristikasi bilan bog'lash uchun meniskning radiusi namlanish burchagi Q va kapillyar radiusi r 0 bilan ifodalanadi. Ko'rinib turibdiki, r 0 = r cosQ, balandligi kapillyarning ko'tarilishi quyidagi shaklda ifodalanadi (Jurin formulasi):
h = 2ssosQ / r 0 (r - r 0)g
Namlash bo'lmasa Q>90 0 , sosQ< 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.
Suyuqliklarning kapillyar ko'tarilishi bir qator taniqli hodisa va jarayonlarni tushuntiradi: qog'oz va matolarning singdirilishi teshiklardagi suyuqlikning kapillyar ko'tarilishidan kelib chiqadi. Matolarning suv o'tkazmasligi ularning hidrofobikligi bilan ta'minlanadi - kapillyarlarning salbiy ko'tarilishi oqibati. Tuproqdan suvning koʻtarilishi tuproq tuzilishi hisobiga sodir boʻladi va yer oʻsimliklarining mavjudligini taʼminlaydi, tuproqdan suvning oʻsimliklar tanasi boʻylab koʻtarilishi yogʻochning tolali tuzilishi, qon aylanish jarayoni tufayli sodir boʻladi. qon tomirlarida, binoning devorlarida namlikning ko'tarilishi (gidroizolyatsiya yotqizilgan) va boshqalar.
Termodinamik reaktivlik (t.r.s.).
Moddaning boshqa holatga, masalan, boshqa fazaga yoki kimyoviy reaksiyaga kirishish qobiliyatini tavsiflaydi. U ma'lum bir tizimning ma'lum sharoitlarda muvozanat holatidan uzoqligini ko'rsatadi. T.r.s. kimyoviy yaqinlik bilan aniqlanadi, uni Gibbs energiyasining o'zgarishi yoki kimyoviy potentsiallarning farqi bilan ifodalash mumkin.
R.lar moddaning tarqalish darajasiga bogʻliq. Dispersiya darajasining o'zgarishi faza yoki kimyoviy muvozanatning o'zgarishiga olib kelishi mumkin.
Gibbs energiyasidagi mos o'sish dG d (dispersiyaning o'zgarishi tufayli) termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlarining birlashgan tenglamasi sifatida ifodalanishi mumkin: dG d = -S dT + V dp
Alohida modda uchun V =V mol va T = konstda bizda quyidagilar mavjud: dG d = V mol dp yoki DG d = V mol Dp
Bu tenglamaga Laplas munosabatini qo‘yib, dG d = s V mol ds/dV ni olamiz.
sferik egrilik uchun: dG d =±2 s V mol / r (3)
Tenglamalar dispersiyaning o'zgarishi tufayli reaktivlikning ortishi sirt egriligiga yoki dispersiyaga mutanosib ekanligini ko'rsatadi.
Agar moddaning kondensatsiyalangan fazadan gazsimon fazaga o'tishi ko'rib chiqilsa, u holda Gibbs energiyasini ideal deb qabul qilib, bug' bosimi bilan ifodalash mumkin. U holda dispersiyaning o'zgarishi bilan bog'liq bo'lgan Gibbs energiyasining qo'shimcha o'zgarishi:
dG d = RT ln (p d / p s) (4), bu erda p d va p s - kavisli va tekis sirt ustida to'yingan bug 'bosimi.
(4) ni (3) ga almashtirsak: ln (p d / p s) = ±2 s V mol / RT r.
Munosabat Kelvin-Tomson tenglamasi deb ataladi. Ushbu tenglamadan kelib chiqadiki, musbat egrilik bilan egri sirt ustida to'yingan bug 'bosimi kattaroq bo'ladi, egrilik qanchalik katta bo'lsa, ya'ni. tomchi radiusi kichikroq. Masalan, r = 10 -5 sm radiusli bir tomchi suv uchun (s = 73, V mol = 18) p d / p s = 0,01, ya'ni 1%. Kelvin-Tomson qonunining bu natijasi bizga eng kichik tomchilarning bug'lanishi va bug'ning kattaroq tomchilarda va tekis yuzada kondensatsiyasidan iborat bo'lgan izotremik distillash hodisasini taxmin qilish imkonini beradi.
Namlash paytida kapillyarlarda yuzaga keladigan salbiy egrilik bilan teskari bog'liqlik olinadi: egri sirt ustidagi to'yingan bug 'bosimi (tomchidan yuqori) egrilikning oshishi bilan (kapillyar radiusning kamayishi bilan) kamayadi. Shunday qilib, agar suyuqlik kapillyarni ho'llasa, kapillyardagi bug'larning kondensatsiyasi tekis sirtga qaraganda pastroq bosimda sodir bo'ladi. Shuning uchun ham Kelvin tenglamalari kapillyar kondensatsiya tenglamasi deb ataladi.
Keling, zarracha dispersiyasining ularning eruvchanligiga ta'sirini ko'rib chiqaylik. Gibbs energiyasining o'zgarishi moddaning (4) munosabatiga o'xshash turli dispers holatlardagi eruvchanligi orqali ifodalanishini hisobga olib, biz noelektrolitlar uchun olamiz:
ln(c d /c a) = ±2 s V mol /RT r bunda c d va c a moddaning yuqori dispers holatda eruvchanligi va bu moddaning yirik zarralari bilan muvozanat holatidagi eruvchanligi.
Eritmada n ionga ajraladigan elektrolitlar uchun (aktivlik koeffitsientlarini e'tiborsiz qoldirib) yozishimiz mumkin:
ln(a d /a s) = n ln (c d /c s) = ±2 s V mol / RT r, bu erda a d va a s - elektrolitning yuqori dispersli va qo'pol dispers holatga nisbatan to'yingan eritmalardagi faolligi. Tenglamalar shuni ko'rsatadiki, dispersiyaning ortishi bilan eruvchanlik oshadi yoki dispers tizim zarralarining kimyoviy potentsiali katta zarrachadan 2 s V mol / r ga katta bo'ladi. Shu bilan birga, eruvchanlik sirt egrilik belgisiga bog'liq, ya'ni agar qattiq jismning zarralari musbat va manfiy egrilik bilan tartibsiz shaklga ega bo'lsa va to'yingan eritmada bo'lsa, u holda musbat egrilikli joylar eriydi va maydonlar. salbiy egrilik bilan o'sadi. Natijada, eruvchan moddaning zarralari vaqt o'tishi bilan muvozanat holatiga mos keladigan to'liq aniq shaklga ega bo'ladi.
Disperslik darajasi kimyoviy reaksiya muvozanatiga ham ta'sir qilishi mumkin: - DG 0 d = RT ln (K d / K), bu erda DG 0 d - disperslik tufayli kimyoviy yaqinlikning ortishi, K d va K - muvozanat konstantalari. dispers va dispers bo'lmagan moddalar ishtirokidagi reaktsiyalar.
Dispersiyaning kuchayishi bilan komponentlarning faolligi oshadi va shunga mos ravishda kimyoviy muvozanat konstantasi boshlang'ich moddalar va reaktsiya mahsulotlarining tarqalish darajasiga qarab u yoki bu yo'nalishda o'zgaradi. Masalan, kaltsiy karbonatning parchalanish reaktsiyasi uchun: CaCO 3 « CaO + CO 2
Dastlabki kaltsiy karbonat dispersiyasining oshishi muvozanatni o'ngga siljitadi va tizim ustidagi karbonat angidrid bosimi ortadi. Kaltsiy oksidining tarqalishini oshirish teskari natijaga olib keladi.
Xuddi shu sababga ko'ra, dispersiyaning kuchayishi bilan kristallanish suvi va modda o'rtasidagi aloqa zaiflashadi. Shunday qilib, Al 2 O 3 ning makrokristalli. 3 H 2 O 473 K da suv beradi, kolloid kattalikdagi zarrachalar choʻkmasida kristall gidrat 373 K da parchalanadi. Oltin xlorid kislota bilan oʻzaro taʼsir qilmaydi va kolloid oltin unda eriydi. Dagʻal dispers oltingugurt kumush tuzlari bilan sezilarli reaksiyaga kirishmaydi, kolloid oltingugurt esa kumush sulfid hosil qiladi.
Diqqat! Sayt ma'muriyati uslubiy ishlanmalarning mazmuni, shuningdek ishlanmaning Federal Davlat Ta'lim Standartiga muvofiqligi uchun javobgar emas.
- Ishtirokchi: Nikolaev Vladimir Sergeevich
- Rahbar: Suleymanova Alfiya Sayfullovna
Kirish
Yuqori texnologiyalar asrimizda tabiiy fanlar odamlar hayotida tobora muhim ahamiyat kasb etmoqda. 21-asr odamlari juda samarali kompyuterlar, smartfonlar ishlab chiqaradi va atrofimizdagi dunyoni tobora chuqurroq o'rganadi. Menimcha, odamlar kelajagimizni tubdan o‘zgartiradigan yangi ilmiy-texnik inqilobga tayyorgarlik ko‘rmoqda. Ammo bu o'zgarishlar qachon sodir bo'lishini hech kim bilmaydi. Har bir inson o'z ishi bilan bu kunni yaqinlashtirishi mumkin.
Ushbu tadqiqot ishim fizika rivojiga qo'shgan kichik hissamdir.
Ushbu tadqiqot ishi hozirgi kunda dolzarb bo'lgan "Kapillyar hodisalar" mavzusiga bag'ishlangan. Hayotda biz ko'pincha ko'plab kichik kanallar (qog'oz, ip, teri, turli xil qurilish materiallari, tuproq, yog'och) tomonidan kirib boradigan jismlar bilan shug'ullanamiz. Bunday jismlar suv yoki boshqa suyuqliklar bilan aloqa qilganda, ular ko'pincha ularni o'zlashtiradi. Ushbu loyiha kapillyarlarning tirik va tirik bo'lmagan organizmlar hayotidagi ahamiyatini ko'rsatadi.
Tadqiqot ishining maqsadi: fizika nuqtai nazaridan suyuqlikning kapillyarlar orqali harakatlanish sababini asoslash, kapillyar hodisalarning xususiyatlarini aniqlash.
O'rganish ob'ekti: suyuqliklarning so'rilganida kapillyarlar orqali ko'tarilish yoki tushish xususiyati.
Tadqiqot predmeti: tirik va jonsiz tabiatdagi kapillyar hodisalar.
- Suyuqliklarning xossalari haqidagi nazariy materialni o'rganish.
- Kapillyar hodisalar haqidagi material bilan tanishing.
- Kapillyarlarda suyuqlikning ko'tarilish sababini aniqlash uchun bir qator tajribalar o'tkazing.
- Ish davomida o'rganilgan materialni umumlashtiring va xulosa tuzing.
Kapillyar hodisalarni o'rganishga o'tishdan oldin, kapillyar hodisalarda muhim rol o'ynaydigan suyuqlikning xususiyatlari bilan tanishish kerak.
Yuzaki taranglik
"Sirt tarangligi" atamasining o'zi sirtdagi moddaning "kuchlanish", ya'ni kuchlanish holatida ekanligini anglatadi, bu ichki bosim deb ataladigan kuchning ta'siri bilan izohlanadi. U suyuqlik ichidagi molekulalarni uning yuzasiga perpendikulyar yo'nalishda tortadi. Shunday qilib, moddaning ichki qatlamlarida joylashgan molekulalar, o'rtacha, atrofdagi molekulalarning barcha yo'nalishlarida teng tortishish; sirt qatlamining molekulalari moddalarning ichki qatlamlaridan va muhitning sirt qatlami bilan chegaradosh tomondan teng bo'lmagan tortishishlarga duchor bo'ladi. Masalan, suyuqlik-havo interfeysida sirt qatlamida joylashgan suyuqlik molekulalari havo molekulalariga qaraganda suyuqlikning ichki qatlamlarining qo'shni molekulalari tomonidan kuchliroq tortiladi. Bu suyuqlikning sirt qatlamining xususiyatlari va uning ichki hajmlari xususiyatlari o'rtasidagi farqning sababidir.
Ichki bosim suyuqlik yuzasida joylashgan molekulalarning ichkariga tortilishiga olib keladi va shu bilan ma'lum sharoitlarda sirtni minimal darajaga tushirishga intiladi. Suyuqlik yuzasining qisqarishiga olib keladigan interfeys uzunligi birligiga ta'sir qiluvchi kuch sirt taranglik kuchi yoki oddiygina sirt tarangligi s deb ataladi.
Turli suyuqliklarning sirt tarangligi bir xil emas, bu ularning molyar hajmiga, molekulalarning qutbliligiga, molekulalarning bir-biri bilan vodorod bog'larini hosil qilish qobiliyatiga va boshqalarga bog'liq.
Harorat oshishi bilan sirt tarangligi chiziqli ravishda kamayadi. Suyuqlikning sirt tarangligiga undagi aralashmalar ham ta'sir qiladi. Sirt tarangligini susaytiradigan moddalar sirt faol moddalar (sirt faol moddalar) deb ataladi. Suvga nisbatan sirt faol moddalar neft mahsulotlari, spirtlar, efir, sovun va boshqa suyuq va qattiq moddalardir. Ba'zi moddalar sirt tarangligini oshiradi. Masalan, tuzlar va shakar aralashmalari.
Buning izohini MKT beradi. Agar suyuqlikning o'zi molekulalari orasidagi tortishish kuchlari sirt faol moddasi va suyuqlik molekulalari orasidagi tortishish kuchlaridan katta bo'lsa, u holda suyuqlik molekulalari sirt qatlamidan ichkariga harakat qiladi va sirt faol moddalar molekulalari sirt. Shubhasiz, tuz va shakar molekulalari suyuqlikka tortiladi va suv molekulalari sirtga majburlanadi. Shunday qilib, sirt tarangligi - sirt hodisalari fizikasi va kimyosining asosiy tushunchasi - amaliy nuqtai nazardan eng muhim xususiyatlardan biridir. Shuni ta'kidlash kerakki, geterogen tizimlar fizikasi sohasidagi har qanday jiddiy ilmiy tadqiqotlar sirt tarangligini o'lchashni talab qiladi. Sirt tarangligini aniqlashning eksperimental usullari tarixi ikki asrdan ko'proq vaqtga to'g'ri keladi, oddiy va qo'pol usullardan sirt tarangligini yuzdan bir foiz aniqlik bilan aniqlash imkonini beruvchi aniqlik texnikasiga aylandi. Ushbu muammoga qiziqish, ayniqsa, so'nggi o'n yilliklarda insonning kosmosga chiqishi va sanoat qurilishining rivojlanishi bilan bog'liq holda ortdi, bu erda turli xil qurilmalarda kapillyar kuchlar ko'pincha hal qiluvchi rol o'ynaydi.
Sirt tarangligini aniqlashning shunday usullaridan biri ikki shisha plastinka o'rtasida nam suyuqlikni ko'tarishga asoslangan. Ular suv bilan idishga tushirilishi va asta-sekin bir-biriga parallel ravishda yaqinlashishi kerak. Plitalar orasidan suv ko'tarila boshlaydi - u yuqorida aytib o'tilgan sirt taranglik kuchi bilan tortiladi. Suv ko'tarilishi y balandligi va plitalar orasidagi bo'shliqdan sirt taranglik koeffitsienti s ni hisoblash oson. d.
Yuzaki kuchlanish kuchi F= 2s L, Qayerda L– plastinkaning uzunligi (ikkitasi suvning ikkala plastinka bilan aloqa qilganligi sababli paydo bo'ldi). Bu kuch suv massasi qatlamini ushlab turadi m = ρ Ldu, bu erda r - suvning zichligi. Shunday qilib, 2s L = ρ Ldug. Bu yerdan sirt taranglik koeffitsienti s = 1/2 (r gdu). (1) Lekin buni qilish qiziqroq: plitalarni bir uchida bir-biriga bosing, ikkinchisida esa kichik bo'shliq qoldiring.
Suv ko'tariladi va plitalar orasida hayratlanarli darajada muntazam sirt hosil qiladi. Ushbu sirtning vertikal tekislikdagi kesimi giperboladir. Buni isbotlash uchun (1) formulada berilgan joydagi bo‘shliqni d o‘rniga yangi ifodani qo‘yish kifoya. Tegishli uchburchaklarning o'xshashligidan (2-rasmga qarang) d = D (x/L). Bu yerga D- oxiridagi bo'shliq, L– hali ham plastinkaning uzunligi, va x- plitalarning aloqa nuqtasidan bo'shliq va balandlik balandligi aniqlanadigan joyga masofa. Shunday qilib, s = 1/2 (r g)D(x/L), yoki da= 2s L/r gD(1/ X). (2) (2) tenglama, albatta, giperbola tenglamasidir.
Namlash va namlanmaslik
Kapillyar hodisalarni batafsil o'rganish uchun qattiq, suyuq, gazsimon fazalarning birgalikda mavjudligining uch fazali chegarasida joylashgan ba'zi molekulyar hodisalarni ko'rib chiqish kerak, xususan, suyuqlikning qattiq jism bilan aloqasi ko'rib chiqiladi. . Agar suyuqlik molekulalari orasidagi yopishish kuchlari qattiq jism molekulalari orasidagidan kattaroq bo'lsa, suyuqlik qattiq jism bilan aloqa qilish chegarasini (maydonini) kamaytirishga intiladi, agar iloji bo'lsa, undan orqaga chekinadi. Qattiq jismning gorizontal yuzasiga bunday suyuqlik tomchisi tekislangan shar shaklini oladi. Bunda suyuqlik qattiq jismning namlanmasligi deb ataladi. Qattiq jism yuzasi va suyuqlik yuzasiga tegish natijasida hosil bo'lgan th burchak chekka burchak deyiladi. namlanmaydigan th > 90° uchun. Bunday holda, suyuqlik bilan nam bo'lmagan qattiq sirt hidrofobik yoki oleofil deb ataladi. Agar suyuqlik molekulalari orasidagi yopishish kuchlari suyuqlik va qattiq jism molekulalari orasidagidan kamroq bo'lsa, u holda suyuqlik qattiq jism bilan aloqa chegarasini oshirishga intiladi. Bunday holda, suyuqlik qattiq moddani namlash deb ataladi; aloqa burchagi th< 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.
Ho'llanuvchanlik va namlanmaslik nisbiy tushunchalar: bir qattiq jismni ho'llagan suyuqlik boshqa jismni ho'llamasligi mumkin. Masalan, suv shishani namlaydi, lekin kerosinni namlamaydi; simob oynani ho'llamaydi, lekin misni namlaydi.
Namlanish odatda sirt taranglik kuchlari natijasida talqin qilinadi. Havo-suyuqlik chegarasida sirt tarangligi s 1,2, suyuqlik-qattiq chegarada s 1,3, havo-qattiq chegarada s 2,3 bo'lsin.
Tegishli interfeyslarga tangensial yo'naltirilgan son jihatdan s 1,2, s 2,3, s 1,3 ga teng bo'lgan namlash perimetri uzunligi birligiga uchta kuch ta'sir qiladi. Muvozanat holatida barcha kuchlar bir-birini muvozanatlashi kerak. Qattiq jism yuzasi tekisligida s 2.3 va s 1.3 kuchlar taʼsir qiladi, s 1.2 kuch th burchak ostida sirtga yoʻnaltiriladi.
Fazalararo sirtlarning muvozanat holati quyidagi ko'rinishga ega: s 2,3 = s 1,3 + s 1,2costh yoki costh =(s 2,3 - s1,3)/s 1,2
Costh qiymati odatda namlash deb ataladi va B harfi bilan belgilanadi.
Sirtning holati namlanishga ma'lum ta'sir ko'rsatadi. Uglevodorodlarning monomolekulyar qatlami mavjud bo'lganda ham namlanish qobiliyati keskin o'zgaradi. Ikkinchisi atmosferada doimo etarli miqdorda mavjud. Sirtning mikrorelefi ham namlanishga ma'lum ta'sir ko'rsatadi. Biroq, hozirgi kunga qadar har qanday sirtning pürüzlülüğünün uni biron bir suyuqlik bilan namlashiga ta'sirining yagona sxemasi hali aniqlanmagan. Masalan, Venzel-Deryagin tenglamasi costh = x costh0 suyuqlikning qo'pol (th) va silliq (th 0) yuzalardagi aloqa burchaklarini qo'pol tananing haqiqiy yuzasi maydonining uning tekislikka proyeksiyasiga x nisbati bilan bog'laydi. Biroq, amalda bu tenglama har doim ham kuzatilmaydi. Shunday qilib, ushbu tenglamaga ko'ra, namlanish holatida (th<90) шераховатость должна приводить к понижению краевого угла (т.е. к большей гидрофильности), а в случае θ >90 - uning ortishiga (ya'ni ko'proq hidrofobiklikka). Shunga asoslanib, odatda pürüzlülüğün namlanishga ta'siri haqida ma'lumot beriladi.
Ko'pgina mualliflarning fikriga ko'ra, suyuqlikning qo'pol sirtga tarqalish tezligi past bo'ladi, chunki suyuqlik tarqalayotganda, yuzaga keladigan pürüzlülük (tizmalar) ning sekinlashtiruvchi ta'sirini boshdan kechiradi. Shuni ta'kidlash kerakki, bu materialning toza yuzasiga qo'llaniladigan qat'iy dozalangan suyuqlik tomchisi natijasida hosil bo'lgan nuqta diametrining o'zgarish tezligi kapillyarlarda namlanishning asosiy xarakteristikasi sifatida ishlatiladi. Uning qiymati ham sirt hodisalariga, ham suyuqlikning yopishqoqligiga, uning zichligiga va uchuvchanligiga bog'liq.
Shubhasiz, boshqa bir xil xususiyatlarga ega bo'lgan yopishqoqroq suyuqlik sirt bo'ylab tarqalish uchun ko'proq vaqt talab etadi va shuning uchun kapillyar kanal orqali sekinroq oqadi.
Kapillyar hodisalar
Kapillyar hodisalar, sirt egriligi mavjud bo'lganda aralashmaydigan muhitlar (suyuq-suyuqlik, suyuq-gaz yoki bug 'tizimlarida) interfeysida sirt tarangligi natijasida yuzaga keladigan hodisalar to'plami. Yuzaki hodisalarning alohida holati.
Kapillyar hodisalarning asosiy kuchlarini batafsil o'rganib chiqqandan so'ng, to'g'ridan-to'g'ri kapillyarlarga o'tishga arziydi. Shunday qilib, eksperimental ravishda kapillyar orqali namlovchi suyuqlik (masalan, shisha naychadagi suv) ko'tarilishini kuzatish mumkin. Bundan tashqari, kapillyarning radiusi qanchalik kichik bo'lsa, unda suyuqlik ko'tariladi. Kapillyarning devorlarini ho'llamaydigan suyuqlik (masalan, shisha naychadagi simob) keng idishdagi suyuqlik darajasidan pastga tushadi. Xo'sh, nima uchun namlovchi suyuqlik kapillyarga ko'tariladi va namlanmaydigan suyuqlik pastga tushadi?
To'g'ridan-to'g'ri idishning devorlarida suyuqlik yuzasi biroz egilganligini payqash qiyin emas. Agar tomir devori bilan aloqa qiladigan suyuqlik molekulalari qattiq jism molekulalari bilan bir-biriga qaraganda kuchliroq o'zaro ta'sir qilsa, bu holda suyuqlik qattiq jism bilan aloqa qilish maydonini ko'paytirishga intiladi ( namlovchi suyuqlik). Bunday holda, suyuqlikning yuzasi pastga egilib, u joylashgan idishning devorlarini namlashi aytiladi. Agar suyuqlik molekulalari bir-biri bilan tomir devorlarining molekulalariga qaraganda kuchliroq o'zaro ta'sir qilsa, u holda suyuqlik qattiq jism bilan aloqa qilish maydonini kamaytirishga intiladi, uning yuzasi yuqoriga qarab egiladi. Bunday holda, biz suyuqlik bilan tomir devorlarining namlanmasligi haqida gapiramiz.
Diametri millimetrning bir qismi bo'lgan tor naychalarda suyuqlikning egri qirralari butun sirt qatlamini qoplaydi va bunday quvurlardagi suyuqlikning butun yuzasi yarim sharga o'xshash ko'rinishga ega. Bu meniskus deb ataladigan narsa. U namlashda kuzatiladigan botiq, namlanmaslikda esa qavariq bo'lishi mumkin. Suyuqlik sirtining egrilik radiusi trubaning radiusi bilan bir xil tartibda bo'ladi. Bu holda ho'llash va namlanmaslik hodisalari, shuningdek, kapillyar naychaning namlangan yuzasi va ularning aloqa nuqtalarida menisk o'rtasidagi aloqa burchagi th bilan tavsiflanadi.
Ho'l suyuqlikning konkav meniskusi ostida bosim tekis sirt ostidagidan kamroq bo'ladi. Shuning uchun tor trubadagi (kapillyar) suyuqlik kapillyarda tekis sirt darajasida ko'tarilgan suyuqlikning gidrostatik bosimi bosim farqini qoplamaguncha ko'tariladi. Nam bo'lmagan suyuqlikning konveks meniskusi ostida bosim tekis sirt ostidagidan kattaroqdir va bu namlanmaydigan suyuqlikning cho'kishiga olib keladi.
Kapillyar naychadagi sirt taranglik kuchlarining mavjudligi va suyuqlik yuzasining egriligi Laplas bosimi deb ataladigan egri sirt ostida qo'shimcha bosim uchun javobgardir: ∆ p= ± 2s / R.
Kapillyar bosimning belgisi ("ortiqcha" yoki "minus") egrilik belgisiga bog'liq. Qavariq sirtning egrilik markazi mos keladigan faza ichida joylashgan. Qavariq yuzalar musbat egrilikka ega, botiq yuzalar manfiy egrilikka ega.
Shunday qilib, kapillyar naychadagi suyuqlik uchun muvozanat sharti tenglik bilan aniqlanadi
p 0 = p 0 – (2s / R) + ρ gh (1)
bu erda r - suyuqlikning zichligi, h- uning naychadagi ko'tarilish balandligi, p 0 - atmosfera bosimi.
Bu ifodadan shunday xulosa kelib chiqadi h= 2s /r gr. (2)
Olingan formulani egrilik radiusini ifodalagan holda aylantiramiz R meniskus kapillyar naychaning radiusi orqali r.
Rasmdan. 6.18 shundan kelib chiqadi r = R costh. (2) ga (1) ni almashtirsak, biz quyidagilarni olamiz: h= 2s costh /r gr.
Kapillyar naychadagi suyuqlikning ko'tarilish balandligini aniqlaydigan hosil bo'lgan formula Jurin formulasi deb ataladi. Shubhasiz, trubaning radiusi qanchalik kichik bo'lsa, unda suyuqlik ko'tariladi. Bundan tashqari, ko'tarilish balandligi suyuqlikning sirt tarangligi koeffitsienti ortishi bilan ortadi.
Ho'l suyuqlikning kapillyar orqali ko'tarilishi boshqa yo'l bilan tushuntirilishi mumkin. Yuqorida aytib o'tilganidek, sirt taranglik kuchlari ta'sirida suyuqlik yuzasi qisqarishga moyil bo'ladi. Natijada, konkav meniskusning yuzasi tekislanadi va tekis bo'ladi. Shu bilan birga, u ostida yotgan suyuqlik zarralari bo'ylab tortadi va suyuqlik kapillyarga ko'tariladi. Ammo tor trubadagi suyuqlik yuzasi tekis bo'lib qololmaydi, u konkav meniskus shakliga ega bo'lishi kerak. Ushbu sirt meniskus shaklini yangi holatda olishi bilan, u yana qisqarishga moyil bo'ladi va hokazo. Ushbu sabablar natijasida ho'llash suyuqlik kapillyar orqali ko'tariladi. Ko'tarilgan suyuqlik ustunining tortishish kuchi F sirtni pastga tortganda, sirtning har bir nuqtasiga tangensial yo'naltirilgan sirt taranglik kuchlarining hosil bo'lgan F kuchini muvozanatlashtirganda ko'tarish to'xtaydi.
Suyuqlik yuzasining kapillyar devor bilan aloqa qilish doirasi bo'ylab sirt taranglik koeffitsienti va aylana ko'paytmasiga teng sirt taranglik kuchi mavjud: 2s. r, Qayerda r- kapillyar radiusi.
Ko'tarilgan suyuqlikka ta'sir qiluvchi tortishish kuchi
F shnur = mg = ρ Vg = ρπ r^2hg
bu yerda r - suyuqlikning zichligi; h– kapillyardagi suyuqlik ustunining balandligi; g- tortishish kuchining tuzilishi.
Qachon suyuqlikning ko'tarilishi to'xtaydi F shnur = F yoki rp r^2hg= 2s r. Demak, kapillyarda ko'tarilgan suyuqlikning balandligi h= 2s /r gr.
Nam bo'lmagan suyuqlik bo'lsa, ikkinchisi uning yuzasini kamaytirishga harakat qilib, suyuqlikni kapillyardan itarib yuboradi.
Olingan formula namlanmaydigan suyuqlik uchun ham qo'llaniladi. Ushbu holatda h– kapillyardagi suyuqlik tushish balandligi.
Tabiatdagi kapillyar hodisalar
Kapillyar hodisalar ham tabiatda juda keng tarqalgan bo'lib, ko'pincha inson amaliyotida qo'llaniladi. Atrofimizdagi yog'och, qog'oz, teri, g'isht va boshqa ko'plab narsalar kapillyarlarga ega. Kapillyarlar tufayli suv o'simliklarning poyalari bo'ylab ko'tariladi va biz u bilan quritganimizda sochiq ichiga so'riladi. Shakar bo‘lagidagi mayda teshiklardan suv ko‘tarish, barmoqdan qon olish ham kapillyar hodisalarga misol bo‘la oladi.
Insonning qon aylanish tizimi juda qalin tomirlardan boshlanib, ingichka kapillyarlarning juda tarvaqaylab ketgan tarmog'i bilan tugaydi. Masalan, quyidagi ma'lumotlar qiziqarli bo'lishi mumkin. Aortaning kesma maydoni 8 sm2 ni tashkil qiladi. Qon kapillyarining diametri uzunligi 0,5 mm bo'lgan inson sochining diametridan 50 baravar kichik bo'lishi mumkin. Voyaga etgan inson tanasida taxminan 160 milliard kapillyar mavjud. Ularning umumiy uzunligi 80 ming km ga etadi.
Tuproqda mavjud bo'lgan ko'p sonli kapillyarlar orqali chuqur qatlamlardan suv yer yuzasiga ko'tariladi va intensiv bug'lanadi. Namlikni yo'qotish jarayonini sekinlashtirish uchun kapillyarlar tırmıklar, kultivatorlar va ripperlar yordamida tuproqni yumshatish orqali yo'q qilinadi.
Amaliy qism
Ichki diametri juda kichik bo'lgan shisha naychani olaylik ( 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.
Suvning sirt taranglik kuchlari ta'sirida suyuqlikning ko'tarilishi oddiy tajribada kuzatilishi mumkin. Keling, toza latta olib, uning bir uchini stakan suvga tushiramiz, ikkinchisini esa stakan chetiga osib qo'yamiz. Suv kapillyar naychalarga o'xshash matoning teshiklari orqali ko'tarila boshlaydi va butun matoni to'ydiradi. Osilgan uchidan ortiqcha suv tomiziladi (2-rasmga qarang).
Agar siz eksperiment uchun ochiq rangli matoni olsangiz, fotosuratda suvning mato orqali qanday tarqalishini ko'rish juda qiyin. Shuni ham yodda tutingki, barcha matolarda osilgan uchidan ortiqcha suv tomchilari bo'lmaydi. Men bu tajribani ikki marta qildim. Birinchi marta biz engil mato (paxta trikotaj); Suv osilgan uchidan tomchilab juda yaxshi oqardi. Ikkinchi marta quyuq matodan foydalandik (aralash tolali trikotaj - paxta va sintetik); Suvning matoga qanday tarqalishi aniq ko'rindi, ammo osilgan uchidan hech qanday tomchi tushmadi.
Suyuqlikning kapillyarlar orqali ko'tarilishi suyuqlik molekulalarining bir-biriga tortish kuchlari ularning qattiq jism molekulalariga tortish kuchlaridan kamroq bo'lganda sodir bo'ladi. Bunday holda, suyuqlik qattiq moddani namlaydi.
Agar siz unchalik yupqa bo'lmagan naychani olsangiz, uni suv bilan to'ldiring va nayning pastki uchini barmog'ingiz bilan yoping, siz trubadagi suv sathining botiq ekanligini ko'rasiz (9-rasm).
Bu suv molekulalarining bir-biridan ko'ra tomir devorlarining molekulalariga ko'proq jalb etilishining natijasidir.
Barcha suyuqliklar va barcha quvurlarda emas, balki devorlarga "yopishmaydi". Bundan tashqari, kapillyardagi suyuqlik keng idishdagi sathidan pastga tushadi, uning yuzasi konveks bo'ladi. Bunday suyuqlik qattiq jismning sirtini namlantirmaydi, deyiladi. Suyuq molekulalarning bir-biriga tortilishi tomir devorlarining molekulalariga qaraganda kuchliroqdir. Masalan, simob shisha kapillyarda shunday tutadi. (10-rasm)
Xulosa
Shunday qilib, ushbu ish jarayonida men amin bo'ldim:
- Kapillyar hodisalar tabiatda katta rol o'ynaydi.
- Kapillyardagi suyuqlikning ko'tarilishi kapillyardagi suyuqlik ustuniga ta'sir qiluvchi tortishish kuchi hosil bo'lgan kuchga teng bo'lguncha davom etadi.
- Kapillyarlardagi namlovchi suyuqlik ko'tariladi, namlanmaydigan suyuqlik esa pastga tushadi.
- Kapillyarda ko'tarilayotgan suyuqlikning balandligi uning sirt tarangligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsional va kapillyar kanalning radiusi va suyuqlik zichligiga teskari proportsionaldir.
Sirt tarangligi va suyuqliklarning namlanishi yordamida tushuntirilishi mumkin bo'lgan jarayonlar orasida kapillyar hodisalarni ajratib ko'rsatish kerak. Fizika - bu sirli va g'ayrioddiy fan bo'lib, ularsiz Yerda hayot mumkin emas edi. Keling, ushbu muhim intizomning eng yorqin misolini ko'rib chiqaylik.
Hayotiy amaliyotda fizika nuqtai nazaridan kapillyar hodisalar kabi qiziqarli jarayonlar tez-tez uchraydi. Gap shundaki, kundalik hayotda biz suyuqlikni osongina o'zlashtiradigan ko'plab jismlar bilan o'ralganmiz. Buning sababi ularning g'ovakli tuzilishi va fizikaning elementar qonunlari, natijada kapillyar hodisalardir.
Tor quvurlar
Kapillyar juda tor naycha bo'lib, unda suyuqlik o'ziga xos tarzda harakat qiladi. Tabiatda bunday tomirlarga ko'plab misollar mavjud - qon aylanish tizimining kapillyarlari, g'ovakli tanalar, tuproq, o'simliklar va boshqalar.
Kapillyar hodisa - suyuqliklarning tor naychalar orqali ko'tarilishi yoki tushishi. Bunday jarayonlar odamlar, o'simliklar va boshqa jismlarning tabiiy kanallarida, shuningdek, maxsus tor shisha idishlarda kuzatiladi. Rasmda ko'rinib turibdiki, turli qalinlikdagi aloqa quvurlarida turli xil suv darajalari o'rnatilgan. Qayd etilishicha, idish qanchalik yupqa bo'lsa, suv darajasi shunchalik yuqori bo'ladi.
Bu hodisalar sochiqning changni yutish xususiyatiga, o'simliklarning oziqlanishiga, siyohning tayoq bo'ylab harakatlanishiga va boshqa ko'plab jarayonlarga asoslanadi.
Tabiatdagi kapillyar hodisalar
Yuqorida tavsiflangan jarayon o'simlik hayotini saqlab qolish uchun juda muhimdir. Tuproq juda bo'sh, uning zarralari orasida kapillyar tarmoqni ifodalovchi bo'shliqlar mavjud. Suv bu kanallar orqali ko'tarilib, o'simliklarning ildiz tizimini namlik va barcha kerakli moddalar bilan oziqlantiradi.
Xuddi shu kapillyarlar orqali suyuqlik faol ravishda bug'lanadi, shuning uchun kanallarni yo'q qiladigan va ozuqa moddalarini saqlaydigan tuproqni haydash kerak. Aksincha, siqilgan tuproq namlikni tezroq bug'lanadi. Bu yer osti suyuqligini ushlab turish uchun tuproqni haydash muhimligini tushuntiradi.
O'simliklarda kapillyar tizim namlikning mayda ildizlardan eng yuqori qismlariga ko'tarilishini va barglar orqali tashqi muhitga bug'lanishini ta'minlaydi.
Yuzaki taranglik va namlanish
Idishlardagi suyuqliklarning harakati haqidagi savol sirt tarangligi va namlanish kabi jismoniy jarayonlarga asoslanadi. Ulardan kelib chiqadigan kapillyar hodisalar kompleks holda o'rganiladi.
Sirt tarangligi ta'sirida kapillyarlarda namlovchi suyuqlik aloqa tomirlari qonuniga ko'ra bo'lishi kerak bo'lgan darajadan yuqori bo'ladi. Aksincha, namlanmaydigan modda bu darajadan pastda joylashgan.
Shunday qilib, shisha trubadagi suv (namlash suyuqligi) idish qanchalik yupqaroq bo'lsa, kattaroq balandlikka ko'tariladi. Aksincha, idish qancha yupqa bo'lsa, shisha probirkadagi simob miqdori shunchalik past bo'ladi (ho'llanmaydigan suyuqlik). Bundan tashqari, rasmda ko'rsatilganidek, namlovchi suyuqlik meniskusning konkav shaklini, namlanmaydigan suyuqlik esa konveks shaklini hosil qiladi.
Namlash
Bu suyuqlikning qattiq (boshqa suyuqlik, gazlar) bilan aloqa qilish chegarasida sodir bo'ladigan hodisa. Bu molekulalarning aloqa chegarasida maxsus o'zaro ta'siri tufayli paydo bo'ladi.
To'liq ho'llash tomchining qattiq jism yuzasiga tarqalishini, namlanmaslik esa uni sharga aylantirishini anglatadi. Amalda, bir yoki boshqa darajada namlanish ekstremal variantlardan ko'ra tez-tez uchraydi.
Yuzaki kuchlanish kuchi
Tomchining yuzasi sharsimon shaklga ega va buning sababi suyuqliklarga ta'sir qiluvchi qonun - sirt tarangligi.
Kapillyar hodisalar trubadagi suyuqlikning botiq tomoni sirt taranglik kuchlari ta'sirida tekis holatga to'g'rilashga moyilligi bilan bog'liq. Bu tashqi zarralar ostidagi jismlarni yuqoriga ko'tarishi va moddaning trubkadan yuqoriga ko'tarilishi bilan birga keladi. Biroq, kapillyardagi suyuqlik tekis sirt shakliga ega bo'lolmaydi va bu ko'tarilish jarayoni ma'lum bir muvozanat nuqtasiga qadar davom etadi. Suv ustunining ko'tarilishi (tushishi) balandligini hisoblash uchun siz quyida keltirilgan formulalardan foydalanishingiz kerak.
Suv ustunining balandligini hisoblash
Tor trubadagi suvning ko'tarilishi to'xtash momenti moddaning tortishish kuchi P sirt taranglik kuchini F muvozanatlashganda sodir bo'ladi. Bu moment suyuqlikning ko'tarilish balandligini belgilaydi. Kapillyar hodisalar ikki xil yo'naltirilgan kuchlar tomonidan yuzaga keladi:
- tortishish kuchi P ipi suyuqlikni pastga tushishga majbur qiladi;
- F sirt taranglik kuchi suvni yuqoriga siljitadi.
Suyuqlik trubka devorlari bilan aloqa qiladigan doira bo'ylab ta'sir qiluvchi sirt taranglik kuchi quyidagilarga teng:
bu yerda r - trubaning radiusi.
Naychadagi suyuqlikka ta'sir qiluvchi tortishish kuchi:
P ipi = rr2hg,
bu yerda r - suyuqlikning zichligi; h - trubadagi suyuqlik ustunining balandligi;
Shunday qilib, P og'ir = F bo'lsa, modda ko'tarilishni to'xtatadi, bu shuni anglatadiki
rr 2 hg = s2pr,
demak, naychadagi suyuqlikning balandligi:
Xuddi shunday namlanmaydigan suyuqlik uchun:
h - naydagi moddaning balandligi. Formulalardan ko'rinib turibdiki, tor idishdagi suvning ko'tarilishi (tushishi) balandligi idishning radiusi va suyuqlikning zichligiga teskari proportsionaldir. Bu ho'l va nam bo'lmagan suyuqliklarga tegishli. Boshqa sharoitlarda, keyingi bobda taqdim etiladigan meniskus shakliga tuzatish kiritish kerak.
Laplas bosimi
Yuqorida aytib o'tilganidek, tor naychalardagi suyuqlik o'zini shunday tutadiki, aloqa tomirlari qonuni buzilganga o'xshaydi. Bu haqiqat har doim kapillyar hodisalarga hamroh bo'ladi. Fizika buni suyuqlik namlanganda yuqoriga yo'naltirilgan Laplas bosimi yordamida tushuntiradi. Juda tor nayni suvga tushirib, suyuqlikning ma'lum h darajasiga qanday tortilishini kuzatamiz. Aloqa qiluvchi kemalar qonuniga ko'ra, u tashqi suv sathi bilan muvozanatli bo'lishi kerak edi.
Ushbu nomuvofiqlik Laplas bosimi p l yo'nalishi bilan izohlanadi:
Bunday holda, u yuqoriga yo'naltiriladi. Suv quvurga suv ustunining gidrostatik bosimi p g bilan muvozanatlanadigan darajaga tushiriladi:
va agar p l =p g bo'lsa, biz tenglamaning ikki qismini tenglashtirishimiz mumkin:
Endi h balandligi formula sifatida osongina olinishi mumkin:
Namlash tugagach, suvning konkav yuzasini tashkil etuvchi menisk yarim shar shakliga ega bo'lib, bu erda Ɵ=0. Bunda sharning R radiusi kapillyarning ichki radiusi r ga teng bo'ladi. Bu erdan biz olamiz:
Va to'liq namlanmagan taqdirda, Ɵ≠0 bo'lganda, sharning radiusini quyidagi formula yordamida hisoblash mumkin:
Keyin burchak uchun tuzatilgan kerakli balandlik quyidagilarga teng bo'ladi:
h=(2s/pqr)cos Ɵ .
Taqdim etilgan tenglamalardan ko'rinib turibdiki, h balandligi trubaning ichki radiusi r ga teskari proportsionaldir. Suv kapillyarlar deb ataladigan inson sochining diametri bo'lgan tomirlarda eng katta balandlikka etadi. Ma'lumki, namlovchi suyuqlik yuqoriga, namlanmaydigan suyuqlik esa pastga suriladi.
Siz aloqa kemalarini olib, tajriba o'tkazishingiz mumkin, ulardan biri keng, ikkinchisi esa juda tor. Unga suv quyib, siz suyuqlikning boshqa darajasini qayd etishingiz mumkin va namlovchi modda bilan versiyada tor trubadagi daraja yuqoriroq, namlanmaydigan modda bilan esa pastroq.
Kapillyar hodisalarning ahamiyati
Kapillyar hodisalarsiz tirik organizmlarning mavjudligi shunchaki imkonsizdir. Inson tanasi kislorod va ozuqa moddalarini eng kichik tomirlar orqali oladi. O'simlik ildizlari - bu erdan namlikni tortib, uni eng yuqori barglarga olib keladigan kapillyarlar tarmog'i.
Kapillyar hodisalarsiz oddiy uy tozalash mumkin emas, chunki bu printsipga ko'ra, mato suvni o'zlashtiradi. Shu asosda sochiq, siyoh, moy chiroqidagi tayoq va ko'plab qurilmalar ishlaydi. Texnologiyadagi kapillyar hodisalar g'ovak jismlarni quritish va boshqa jarayonlarda muhim rol o'ynaydi.
Ba'zida xuddi shu hodisalar istalmagan oqibatlarga olib keladi, masalan, g'ishtning teshiklari namlikni yutadi. Binolarni er osti suvlari ta'sirida namlashdan qochish uchun siz poydevorni gidroizolyatsiya materiallari - bitum, ruberoid yoki ruberoid bilan himoya qilishingiz kerak.
Yomg'ir paytida ho'l kiyim olish, masalan, ko'lmaklarda yurishdan tizzagacha shimlar ham kapillyar hodisalarga bog'liq. Atrofimizda bu tabiat hodisasiga ko'plab misollar keltirish mumkin.
Gullar bilan tajriba qiling
Kapillyar hodisalarning misollarini tabiatda, ayniqsa o'simliklar haqida gap ketganda topish mumkin. Ularning tanasida ko'plab kichik tomirlar mavjud. Kapillyar hodisalar natijasida gulni qandaydir yorqin rangda bo'yash bilan tajriba qilishingiz mumkin.
Yorqin rangli suv va oq gulni (yoki xitoy karamining bargini, seldereyning sopi) olib, bu suyuqlik bilan stakanga joylashtirishingiz kerak. Biroz vaqt o'tgach, bo'yoq xitoy karamining barglarida qanday yuqoriga qarab harakatlanishini kuzatishingiz mumkin. O'simlikning rangi asta-sekin u joylashtirilgan bo'yoqqa qarab o'zgaradi. Bu biz ushbu maqolada muhokama qilgan qonunlarga muvofiq moddaning poyada yuqoriga ko'tarilishi bilan bog'liq.
Naychalardagi darajani o'zgartiring, o'zboshimchalik shaklidagi tor kanallar, gözenekli jismlar. Suyuqlikning ko'tarilishi kanallar suyuqliklar, masalan, shisha naychalardagi suv, qum, tuproq va boshqalar bilan namlangan hollarda sodir bo'ladi. shisha quvur.
Hayvonlar va o'simliklarning hayotiy faoliyati, kimyoviy texnologiyalar va kundalik hodisalar (masalan, kerosin lampasidagi tayoq bo'ylab kerosinni ko'tarish, qo'llarni sochiq bilan artish) kapillyarlikka asoslangan. Tuproqning kapillyarligi tuproqdagi suvning ko'tarilish tezligi bilan belgilanadi va tuproq zarralari orasidagi bo'shliqlarning kattaligiga bog'liq.
Kapillyarlar - yupqa naychalar, shuningdek, inson va boshqa hayvonlar organizmidagi eng nozik tomirlar (qarang Kapillyar (biologiya) ).
Shuningdek qarang
Adabiyot
- Proxorenko P. P. Ultrasonik kapillyar effekt / P. P. Proxorenko, N. V. Dejkunov, G. E. Konovalov; Ed. V. V. Klubovich. 135 b. Minsk: "Fan va texnologiya", 1981 yil.
Havolalar
- Gorin Yu.V. Ixtirochilik muammolarini hal qilishda foydalanish uchun jismoniy ta'sirlar va hodisalar indeksi (TRIZ vositasi) // Bob. 1.2 Suyuqliklarning sirt tarangligi. Kapillyarlik.
Wikimedia fondi. 2010 yil.
Boshqa lug'atlarda "Kapillyar (fizika)" nima ekanligini ko'ring:
Kapillyar so'zi suyuqlik o'tishi mumkin bo'lgan juda tor naychalarni tasvirlash uchun ishlatiladi. Qo'shimcha ma'lumot uchun Kapillyar effekt maqolasiga qarang. Kapillyar (biologiya) qon tomirlarining eng kichik turidir. Kapillyar (fizika) Kapillyar... ... Vikipediya
Landauning ortiqcha suyuqlik mezoni - bu tizimning (fononlarning) elementar qo'zg'alishlarining energiyalari va momentlari o'rtasidagi bog'liqlik, bu uning ortiqcha suyuqlik holatida bo'lish imkoniyatini belgilaydi. Mundarija 1 Mezonni shakllantirish 2 Mezon xulosasi ... Vikipediya
Split tizimlar va kondanserlar (ventilyator sovutish minoralari) tashqi birligi bir stenddagi tijorat sovutish uskunalari Sovutgich mashinalarining ishlashiga asoslangan iqlim va sovutish uskunalari uskunalari ... Vikipediya
Gaz kelebeği orqali doimiy bosimning pasayishi ta'sirida uning sekin oqimi natijasida gaz haroratining o'zgarishi; gaz oqimiga mahalliy to'siq (kapillyar, valf yoki yo'l bo'ylab quvurda joylashgan g'ovakli qism... .. .
Bu rangsiz shaffof suyuqlik bo'lib, atmosfera bosimida 4,2 K (suyuqlik 4He) haroratda qaynaydi. 4,2 K haroratda suyuq geliyning zichligi 0,13 g/sm³ ni tashkil qiladi. U past sinishi indeksiga ega, chunki... ... Vikipediya
Favvora effekti, o'ta suyuqlikdagi harorat farqi DT tufayli yuzaga keladigan bosim farqining Dr paydo bo'lishi (qarang Supersuyuqlik). T. e. ikki idishdagi suyuqlik darajasidagi farqda suyuq o'ta suyuq geliyda o'zini namoyon qiladi,... ... Buyuk Sovet Entsiklopediyasi
Har birimiz suyuqlik deb hisoblagan ko'plab moddalarni osongina eslay olamiz. Biroq, materiyaning bu holatiga aniq ta'rif berish unchalik oson emas, chunki suyuqliklar shunday fizik xususiyatlarga egaki, ular ba'zi jihatlarda ... ... Collier ensiklopediyasi
Kapillyarlik (lotincha capillaris sochidan), kapillyar effekt - suyuqliklarning naychalardagi darajasini, ixtiyoriy shakldagi tor kanallarni, g'ovakli jismlarni o'zgartirish qobiliyatidan iborat bo'lgan fizik hodisa. Suyuqlikning ko'tarilishi ... ... Vikipediya holatlarida sodir bo'ladi
