Kapilläregenskaper och exempel i vattnet



den kapillaritet Det är en egenskap av vätskor som gör att de kan röra sig genom rörformiga hål eller porösa ytor även mot tyngdkraften. För detta måste det finnas en balans och samordning av två krafter relaterade till de flytande molekylerna: sammanhållning och vidhäftning; med dessa två en fysisk reflektion kallas ytspänning.

Vätskan måste kunna våta rörets inre väggar eller porerna i materialet genom vilket det rör sig. Detta inträffar när vidhäftningskraften (vätskemuren i kapillärröret) är större än den intermolekylära kohesionskraften. Följaktligen skapar de flytande molekylerna starkare interaktioner med materialets atomer (glas, papper etc.) än mellan dem.

Det klassiska exemplet på kapillaritet illustreras i jämförelsen av den här egenskapen för två mycket olika vätskor: vatten och kvicksilver.

Den övre bilden visar att vattnet stiger genom rörets väggar, vilket innebär att det har högre adhesionskrafter; medan motsatsen händer med kvicksilver, eftersom dess sammanhängande, metalliska bindningskrafter hindrar det från att vätma glaset.

Av detta skäl bildar vatten en konkav menisk och kvicksilver en konvex menisk (kupolformad). Det bör också noteras att ju mindre rörets radie eller sektionen genom vilken vätskan rör sig, desto större räckte höjden eller avståndet (jämför vattnets kolonners höjder för båda rören).

index

  • 1 Karakteristik av kapilläritet
    • 1.1 - Vätskans yta
    • 1.2 -Hight
    • 1.3-Ytspänning
    • 1.4 -Radio av kapillären eller porren där vätskan stiger
    • 1.5 - Kontaktvinkel (θ)
  • 2 Kapillaritet av vatten
    • 2.1 På växter
  • 3 referenser

Karakteristik av kapillaritet

-Vätskans yta

Vätskans yta, för att säga vatten, i en kapillär är konkav; det vill säga menisken är konkav. Denna situation uppstår eftersom resultatet av de krafter som utövas på vattenmolekyler nära rörets vägg riktas mot detta.

I alla meniscus finns en kontaktvinkel (θ), vilken är den vinkel som bildar kapillärrörets vägg med en linje som är tangent till vätskans yta vid kontaktpunkten.

Adhesions- och sammanhållningskrafter

Om vätskans vidhäftningskraft till kapillärväggen råder över den intermolekylära kohesionskraften är vinkeln θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.

När en droppe vatten placeras på ytan av ett rent glas sprider sig vatten på glaset så att θ = 0 och cos θ = 1.

Om den intermolekylära kohesionskraft företräde framför adhesionsstyrkan vätske kapillärväggen, exempelvis kvicksilver, är menisken konvex och vinkeln θ kommer att ha ett värde> 90; kvicksilveret vattnar inte kapillärväggen och sjunker därför genom sin inre vägg.

När en droppe kvicksilver placeras på ytan av ett rent glas, håller droppen sin form och vinkeln θ = 140º.

-höjd

Vatten stiger genom kapillärröret för att nå en höjd (h), där vattnets kolonnvikt kompenserar för den vertikala komponenten i den intermolekylära sammanhållningskraften.

När mer vatten stiger kommer det att komma en punkt där tyngdkraften kommer att stoppa sin ökning, även med ytspänning som arbetar till din fördel.

När detta händer kan molekylerna inte fortsätta att klättra upp de inre väggarna, och alla fysiska krafter utjämnas. Å ena sidan har du de krafter som främjar uppkomsten av vatten, och å andra sidan driver din egen vikt ner.

Jurins lag

Detta kan skrivas matematiskt enligt följande:

2 π rΥcosθ = ρgπr2h

Där den vänstra sidan av ekvationen beror på ytspänningen, vars magnitud också är relaterad till kohesions- eller intermolekylära krafter; Cosθ representerar kontaktvinkeln och r hålets radie genom vilken vätskan stiger.

Och på höger sida av ekvationen har vi höjden h, tyngdkraften g och vätskets densitet; det skulle vara vattnet.

Clearing då h du har

h = (2icosθ / ρgr)

Denna formulering är känd som Jurin Act, som definierar höjden nås av vätskepelaren i kapillärröret när vikten av vätskepelaren med uppåtstigande kraften balanseras av kapillaritet.

-Ytspänning

Vatten är en dipolär molekyl, på grund av syreatomens elektronegativitet och dess molekylära geometri. Detta medför att den del av vattenmolekylen där syre är belägen att vara negativt laddad, medan den del av vattenmolekylen som innehåller de 2 väteatomerna är positivt laddad.

Molekylerna i vätskan växlar tack vare detta genom flera vätebindningar, för att hålla dem ihop. Emellertid vattenmolekyler som är vid vatten: är luft (yta) utsättas för en netto attraktion av molekylerna inom det flytande, inte kompenseras av den svaga attraktionen med luftmolekyler.

Därför utsätts gränssnitts vattenmolekyler för en attraktiv kraft som tenderar att avlägsna vattenmolekyler från gränssnittet; det vill säga vätebroarna som bildas med molekylerna i botten dra de som ligger på ytan. Sålunda försöker ytspänningen minska ytan av vattnet: luftgränssnittet.

Förhållande till h

Om du tittar på ekvationen av Jurins lag, kommer du att finna att h är direkt proportionell mot Υ; ju desto större vätskans ytspänning är desto större är höjden som kan stiga genom en kapillär eller por av ett material.

Det kan således förväntas att för två vätskor, A och B, med olika ytspänningar, den som har den högsta ytspänningen stiger till en högre höjd.

Man kan dra slutsatsen att en hög ytspänning är den viktigaste egenskapen som definierar kapilläregenskapen hos en vätska.

-Radi av kapillären eller porren där vätskan stiger

Observationen av Jurins lag anger att höjden som nås av en vätska i en kapillär eller por är omvänd proportionell mot samma radie.

Därför är ju mindre radien desto större är höjden som vätskekolonnen kommer att nå genom kapillärverkan. Detta kan ses direkt i bilden där vatten jämförs med kvicksilver.

I ett glasrör med en radie av 0,05 mm radie kommer vattenkolonnen genom kapillaritet att nå en höjd av 30 cm. I kapillärrör med en radie av 1 μm med ett sugtryck på 1,5 x 103 hPa (som är lika med 1,5 atm) motsvarar en beräkning av vattenkolonnens höjd från 14 till 15 m.

Detta liknar mycket vad som händer med de sugrör som går i sig flera gånger. Genom att suga vätskan skapas en tryckskillnad som leder till att vätskan stiger till munnen.

Det maximala höjdsvärdet för kolonnen som uppnås genom kapillaritet är teoretisk, eftersom kapillärens radie inte kan minskas över en viss gräns.

Poiseuille lag

Detta fastställer att flödet av en verklig vätska ges av följande uttryck:

Q = (πr4/ 8ηl) AP

Där Q är vätskeflödet, är r sin viskositet, l rörets längd och AP tryckskillnaden.

Vid minskning av en kapillärs radie bör höjden på vätskekolonnen som uppnås genom kapillaritet öka oändligt. Poiseuille påpekar emellertid att minskning av radien minskar också vätskeflödet genom den kapillären.

Dessutom viskositeten, som är ett mått på motståndet som motsätter sig flödet av en verklig vätska, skulle ytterligare minska vätskans flöde.

-Kontaktvinkel (θ)

Ju högre värdet av cosθ desto högre höjden av vattenspelaren är kapillaritet, vilket anges av Jurins lag.

Om θ är liten och närmar sig noll (0) är cosθ = 1, så värdet h kommer att vara maximalt. Tvärtom, om θ är lika med 90º, cosθ = 0 och värdet av h = 0.

När värdet av θ är större än 90, vilket är fallet med den konvexa menisken, inte vätskan inte stiger genom kapillaritet och trenden är att gå ner (såsom kvicksilver).

Vattenkapillaritet

Vattnet har ett ytspänningsvärde av 72,75 N / m, relativt högt jämfört med värdena för ytspänning av följande vätskor:

-Aceton: 22,75 N / m

-Etylalkohol: 22,75 N / m

-Hexan: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Vatten har därför en exceptionell ytspänning, som gynnar utvecklingen av kapillärfenomenet så nödvändigt för absorption av vatten och näringsämnen av växter.

På växterna

Kapillären är en viktig mekanism för växten av växterna, men det är inte tillräckligt för att sapet ska nå trädens löv.

Transpirationen eller indunstningen är en viktig mekanism vid uppväxten av sapet vid växternas xylem. Bladen förlorar vatten genom avdunstning, vilket ger en minskning av mängden vattenmolekyler, vilket medför en attraktion av vattenmolekylerna närvarande i kapillärrören (xylem).

Vattenmolekylerna agerar inte oberoende av varandra, men samverkar med Van der Waals-krafterna, vilket får dem att stiga upp ihop med plantans kapillärrör mot bladen.

Förutom dessa mekanismer bör det noteras att växterna absorberar vatten från jorden genom osmos och att ett positivt tryck som genereras vid roten, driver starten på uppstigningen av vatten genom plantans kapillärer.

referenser

  1. García Franco A. (2010). Ytliga fenomen. Hämtad från: sc.ehu.es
  2. Ytafenomen: Ytspänning och kapillaritet. [PDF]. Hämtad från: ugr.es
  3. Wikipedia. (2018). Kapillärkraften. Hämtad från: en.wikipedia.org
  4. Risvhan T. (s.f.) Kapillaritet i växterna. Hämtad från: academia.edu
  5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 december 2018). Kapilläråtgärd: Definition och exempel. Hämtad från: thoughtco.com
  6. Ellen Ellis M. (2018). Kapillärverkan av vatten: Definition och exempel. Study. Hämtad från: study.com
  7. ScienceStruck Staff. (16 juli 2017). Exempel som förklarar begreppet och betydelsen av kapilläråtgärd. Hämtad från: sciencestruck.com