CAPILLARITY: ลักษณะและตัวอย่างในน้ำ - เคมี - 2026

ฝอยเป็นทรัพย์สินของของเหลวซึ่งจะช่วยให้พวกเขาที่จะย้ายหลุมท่อหรือพื้นผิวที่มีรูพรุนแม้กับแรงโน้มถ่วง สำหรับสิ่งนี้จะต้องมีความสมดุลและการประสานกันของสองแรงที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลของของเหลว: การเกาะกันและการยึดเกาะ; ทั้งสองมีการสะท้อนทางกายภาพเรียกว่าแรงตึงผิว

ของเหลวต้องสามารถทำให้ผนังภายในของท่อหรือรูพรุนของวัสดุเปียกผ่านได้ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อแรงยึดเกาะ (ผนังท่อของเหลว - เส้นเลือดฝอย) มีค่ามากกว่าแรงจับกันระหว่างโมเลกุล ดังนั้นโมเลกุลของของเหลวจึงสร้างปฏิสัมพันธ์กับอะตอมของวัสดุ (แก้วกระดาษ ฯลฯ ) ได้ดีกว่าซึ่งกันและกัน

ที่มา: MesserWoland ผ่าน Wikipedia

ตัวอย่างคลาสสิกของ capillarity แสดงให้เห็นในการเปรียบเทียบคุณสมบัตินี้สำหรับของเหลวสองชนิดที่แตกต่างกัน: น้ำและปรอท

ในภาพด้านบนจะเห็นได้ว่าน้ำเพิ่มขึ้นตามผนังของท่อซึ่งหมายความว่ามีแรงยึดเกาะมากขึ้น ในขณะที่มีปรอทสิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นเนื่องจากแรงร่วมกันของพันธะโลหะป้องกันไม่ให้กระจกเปียก

ด้วยเหตุนี้น้ำจึงก่อตัวเป็นวงเดือนเว้าและปรอทเป็นวงเดือนนูน (รูปโดม) นอกจากนี้ควรสังเกตด้วยว่ายิ่งรัศมีของท่อเล็กลงหรือส่วนที่ของเหลวเคลื่อนที่ผ่านไปความสูงหรือระยะทางก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น (เปรียบเทียบความสูงของคอลัมน์น้ำสำหรับท่อทั้งสอง)

ลักษณะของเส้นเลือดฝอย

- พื้นผิวของของเหลว

พื้นผิวของของเหลวคือน้ำในเส้นเลือดฝอยเว้า นั่นคือวงเดือนเว้า สถานการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากผลของแรงที่กระทำต่อโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้ผนังของท่อพุ่งเข้าหามัน

ในทุกวงเดือนมีมุมสัมผัส (θ) ซึ่งเป็นมุมที่ผนังของหลอดเส้นเลือดฝอยสร้างเส้นสัมผัสกับพื้นผิวของของเหลวที่จุดสัมผัส

แรงยึดเกาะและการทำงานร่วมกัน

ถ้าแรงยึดเกาะของของเหลวกับผนังเส้นเลือดฝอยเหนือกว่าแรงเกาะติดระหว่างโมเลกุลมุมจะเป็นθ <90º; ของเหลวเปียกผนังเส้นเลือดฝอยและน้ำไหลผ่านเส้นเลือดฝอยโดยสังเกตปรากฏการณ์ที่เรียกว่า capillarity

เมื่อหยดน้ำวางบนพื้นผิวของแก้วที่สะอาดน้ำจะกระจายไปทั่วแก้วดังนั้นθ = 0 และ cos θ = 1

ถ้าแรงเกาะติดระหว่างโมเลกุลมีผลเหนือแรงยึดเกาะผนังของเหลว - เส้นเลือดฝอยตัวอย่างเช่นในปรอทวงเดือนจะนูนและมุมθจะมีค่า> 90º; สารปรอทไม่ทำให้ผนังเส้นเลือดฝอยเปียกดังนั้นจึงไหลลงผนังภายใน

เมื่อวางปรอทลงบนพื้นผิวของแก้วที่สะอาดหยดจะคงรูปร่างและมุมθ = 140º

ความสูง

น้ำไหลผ่านท่อเส้นเลือดฝอยจนกระทั่งถึงความสูง (h) ซึ่งน้ำหนักของคอลัมน์น้ำจะชดเชยส่วนประกอบในแนวตั้งของแรงเกาะติดระหว่างโมเลกุล

เมื่อน้ำขึ้นมากขึ้นจะมีจุดที่แรงโน้มถ่วงหยุดการขึ้นลงแม้ว่าแรงตึงผิวจะทำงานตามความต้องการของคุณก็ตาม

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นโมเลกุลจะไม่สามารถ "ไต่" กำแพงชั้นในต่อไปได้และพลังทางกายภาพทั้งหมดจะเท่ากัน ในแง่หนึ่งคุณมีกองกำลังที่ส่งเสริมการขึ้นของน้ำและอีกด้านหนึ่งน้ำหนักของคุณจะผลักมันลง

กฎหมายของจูรินทร์

สิ่งนี้สามารถเขียนทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

2 π rϒcosθ = ρgπr ²ชม

โดยที่ด้านซ้ายของสมการจะขึ้นอยู่กับแรงตึงผิวซึ่งขนาดนั้นเกี่ยวข้องกับแรงร่วมกันหรือแรงระหว่างโมเลกุลด้วย Cosθแสดงถึงมุมสัมผัสและ r รัศมีของรูที่ของเหลวเพิ่มขึ้น

และทางด้านขวาของสมการเรามีความสูง h แรงโน้มถ่วง g และความหนาแน่นของของเหลว ซึ่งจะเป็นน้ำ

การแก้ปัญหานั้นเรามี

h = (2ϒcosθ / ρgr)

สูตรนี้เรียกว่ากฎของจูรินซึ่งกำหนดความสูงที่ถึงโดยคอลัมน์ของของเหลวในท่อเส้นเลือดฝอยเมื่อน้ำหนักของคอลัมน์ของเหลวสมดุลกับแรงของการขึ้นสู่สวรรค์โดยการกระทำของเส้นเลือดฝอย

-แรงตึงผิว

น้ำเป็นโมเลกุลไดโพลเนื่องจากอิเล็กโตรเนกาติวิตีของอะตอมออกซิเจนและรูปทรงโมเลกุล สิ่งนี้ทำให้ส่วนของโมเลกุลของน้ำซึ่งเป็นที่ตั้งของออกซิเจนกลายเป็นประจุลบในขณะที่ส่วนของโมเลกุลของน้ำที่มีไฮโดรเจน 2 อะตอมจะกลายเป็นประจุบวก

โมเลกุลในของเหลวมีปฏิสัมพันธ์ด้วยสิ่งนี้ผ่านพันธะไฮโดรเจนหลายพันธะซึ่งยึดเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตามโมเลกุลของน้ำที่อยู่ในน้ำ: ส่วนต่อประสานของอากาศ (พื้นผิว) จะถูกดึงดูดโดยโมเลกุลของไซนัสของของเหลวซึ่งไม่ได้รับการชดเชยด้วยแรงดึงดูดที่อ่อนแอกับโมเลกุลของอากาศ

ดังนั้นโมเลกุลของน้ำที่ส่วนเชื่อมต่อจะต้องได้รับแรงที่น่าดึงดูดซึ่งมีแนวโน้มที่จะขจัดโมเลกุลของน้ำออกจากส่วนต่อประสาน กล่าวอีกนัยหนึ่งพันธะไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นกับโมเลกุลที่อยู่ด้านล่างจะลากสิ่งที่อยู่บนพื้นผิวออกไป ดังนั้นแรงตึงผิวจึงพยายามลดพื้นผิวของน้ำ: ส่วนต่อประสานกับอากาศ

ความสัมพันธ์กับ h

ถ้าเราดูสมการกฎของจูรินเราจะพบว่า h เป็นสัดส่วนโดยตรงกับ ϒ; ดังนั้นยิ่งความตึงผิวของของเหลวสูงขึ้นเท่าใดความสูงที่เส้นเลือดฝอยหรือรูพรุนของวัสดุสามารถเพิ่มขึ้นได้ก็จะมากขึ้นเท่านั้น

ด้วยวิธีนี้คาดว่าสำหรับของเหลวสองชนิดคือ A และ B ที่มีความตึงผิวต่างกันของเหลวที่มีแรงตึงผิวมากกว่าจะขึ้นสู่ความสูงที่สูงขึ้น

สรุปได้ในประเด็นนี้ว่าความตึงผิวสูงเป็นลักษณะที่สำคัญที่สุดที่กำหนดคุณสมบัติเส้นเลือดฝอยของของเหลว

- รัศมีของเส้นเลือดฝอยหรือรูพรุนที่ของเหลวเพิ่มขึ้น

การสังเกตกฎของจูรินระบุว่าความสูงที่ของเหลวไปถึงในเส้นเลือดฝอยหรือรูขุมขนนั้นแปรผกผันกับรัศมีที่เท่ากัน

ดังนั้นยิ่งรัศมีมีขนาดเล็กความสูงของคอลัมน์ของเหลวก็จะมากขึ้นตามการกระทำของเส้นเลือดฝอย สิ่งนี้สามารถเห็นได้โดยตรงในภาพที่น้ำถูกเปรียบเทียบกับปรอท

ในหลอดแก้วที่มีรัศมี 0.05 มม. คอลัมน์น้ำต่อ capillarity จะสูงถึง 30 ซม. ในท่อเส้นเลือดฝอยที่มีรัศมี 1 µm มีแรงดันดูด 1.5 x 10 ³ hPa (ซึ่งเท่ากับ 1.5 atm) จะสอดคล้องกับการคำนวณความสูงของคอลัมน์น้ำที่ 14 ถึง 15 ม.

สิ่งนี้คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับหลอดที่เปิดขึ้นเองหลาย ๆ ครั้ง การจิบของเหลวจะสร้างความแตกต่างของความดันที่ทำให้ของเหลวลอยขึ้นมาที่ปาก

ค่าความสูงสูงสุดของคอลัมน์ที่ถึงโดย capillarity เป็นทางทฤษฎีเนื่องจากไม่สามารถลดรัศมีของเส้นเลือดฝอยได้เกินขีด จำกัด ที่กำหนด

กฎหมายของ Poiseuille

สิ่งนี้ทำให้เกิดการไหลของของเหลวจริงโดยนิพจน์ต่อไปนี้:

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

โดยที่ Q คือการไหลของของเหลวηคือความหนืด l คือความยาวของท่อและΔPคือความแตกต่างของความดัน

เมื่อรัศมีของเส้นเลือดฝอยลดลงความสูงของคอลัมน์ของเหลวที่ถึงโดย capillarity ควรจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อย่างไรก็ตาม Poiseuille ชี้ให้เห็นว่าเมื่อรัศมีลดลงของเหลวที่ไหลผ่านเส้นเลือดฝอยนั้นก็จะลดลงด้วย

นอกจากนี้ความหนืดซึ่งเป็นตัวชี้วัดความต้านทานต่อการไหลของของเหลวจริงจะทำให้การไหลของของเหลวลดลง

- มุมสัมผัส (θ)

ยิ่งค่าของ cos greater สูงเท่าใดความสูงของคอลัมน์น้ำต่อ capillarity ก็จะยิ่งมากขึ้นตามที่ระบุไว้ในกฎของ Jurin

ถ้าθมีขนาดเล็กและเข้าใกล้ศูนย์ (0) cosθคือ = 1 ดังนั้นค่า h จะเป็นค่าสูงสุด ในทางตรงกันข้ามถ้าθเท่ากับ90ºค่าcosθ = 0 และค่าของ h = 0

เมื่อค่าของθมากกว่า90ºซึ่งเป็นกรณีของวงเดือนนูนของเหลวจะไม่เพิ่มขึ้นตามเส้นเลือดฝอยและมีแนวโน้มที่จะลดลง (เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับปรอท)

ความสามารถของน้ำ

น้ำมีค่าความตึงผิว 72.75 N / m ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับค่าความตึงผิวของของเหลวต่อไปนี้:

- อะซิโตน: 22.75 N / m

- เอธิลแอลกอฮอล์: 22.75 N / m

- เฮกซาน: 18.43 N / m

- เมทานอล: 22.61 N / m.

ดังนั้นน้ำจึงมีแรงตึงผิวที่ดีเยี่ยมซึ่งสนับสนุนการพัฒนาปรากฏการณ์ของเส้นเลือดฝอยซึ่งจำเป็นต่อการดูดซึมน้ำและสารอาหารของพืช

ในพืช

ที่มา: Pixabay

Capillarity เป็นกลไกสำคัญสำหรับการขึ้นของน้ำนมผ่าน xylem ของพืช แต่มันไม่เพียงพอที่จะส่งน้ำนมไปที่ใบของต้นไม้

การถ่ายเทหรือการระเหยเป็นกลไกสำคัญในการขึ้นของน้ำนมผ่านไซเลมของพืช ใบไม้สูญเสียน้ำผ่านการระเหยทำให้ปริมาณโมเลกุลของน้ำลดลงซึ่งทำให้เกิดแรงดึงดูดของโมเลกุลของน้ำที่อยู่ในเส้นเลือดฝอย (xylem)

โมเลกุลของน้ำไม่ได้ทำหน้าที่เป็นอิสระจากกัน แต่จะมีปฏิสัมพันธ์โดยกองกำลังของ Van der Waals ซึ่งทำให้พวกมันเกาะกันผ่านเส้นเลือดฝอยของพืชไปยังใบไม้

นอกเหนือจากกลไกเหล่านี้ควรสังเกตว่าพืชดูดซับน้ำจากดินโดยการออสโมซิสและแรงดันบวกที่เกิดขึ้นในรากทำให้เกิดการเริ่มต้นของการเพิ่มขึ้นของน้ำผ่านเส้นเลือดฝอยของพืช

อ้างอิง

1. การ์เซียฟรังโก A. (2010). ปรากฏการณ์ผิวเผิน กู้คืนจาก: sc.ehu.es
2. ปรากฏการณ์พื้นผิว: แรงตึงผิวและความสามารถในการยึดเกาะ . กู้คืนจาก: ugr.es
3. วิกิพีเดีย (2018) ฝอย สืบค้นจาก: es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) Capillarity ในพืช. กู้คืนจาก: academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 ธันวาคม 2561). Capillary Action: ความหมายและตัวอย่าง ดึงมาจาก: thoughtco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). Capillary Action of Water: ความหมายและตัวอย่าง ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
7. เจ้าหน้าที่ ScienceStruck (16 กรกฎาคม 2560). ตัวอย่างที่อธิบายแนวคิดและความหมายของ Capillary Action สืบค้นจาก: sciencestruck.com