Капиларне појаве

Експеримент капиларног протока на Међународној свемирској станици

Цапиларне појаве воде у поређењу са живом, у односу на поларну површину, е.г. стакла

Капиларни проток у цигли, са сорптивношћу од 5.0 mm min^-1/2 и порозношћу од 0.25.

Капиларне појаве су ефекти који настају услед дејства молекулских сила. Јављају се при додиру чврстих и течних тела и последице су површинског напона течности. Манифестују се способношћу течности да теку кроз уске судове без дејства силе гравитације или у супротном смеру од силе гравитације. Капиларни ефекти су најјаче изражени у капиларним цевима. Капилар је свака цев чији је пречник јако мали, обично мањи од 1мм. Реч капилар по пореклу значи танко као длака. У таквом суду, течности се не понашају у складу са законом спојених судова.

Квашење и неквашење

Ако се узме цев која је отворена на оба краја и потопи се у течност, тако да јој доњи крај буде испод слободне површине течности, појавиће се одступање нивоа течности у цеви од нивоа слободне површине течности у коју је цев потопљена. Ако течност кваси зидове суда, ниво течности у капилару је виши од нивоа слободне поврчине течности, другим речима долази до капиларне елевације. Тада површина слободног дела стуба течности у суду има издубљен обик. У супротном, када течност не кваси зидове капилара, ниво течности у капилару је нижи и то се назива капиларна депресија. Тада је површина испупчена. Крива површина слободног дела стуба течности у оба случаја зове се мениск.

Силе кохезије и адхезије делују на молекуле течности који се налазе у близини зида суда. Адхезионе силе су силе које делују између молекула течности и молекула чврстог тела, док су кохезионе силе, силе које делују између молекула саме течности. Међусобно су различите и њихови интензитети зависе од природе молекула тела које се додирују.

На молекуле површинског слоја делује сила кохезије, усмерена ка унутрашњости течности и сила адхезије, ка зиду суда. Тада можемо наћи резултујућу силу. Слободна површина течности ће се увек поставити нормално на резултанту. То значи да површина течности гради угао Θ са зидом суда. Θ се назива угао квашења.

Када је адхезија већа од кохезије, угао је оштар и течност се пење уз зид суда. У случају када је адхезија много већа од кохезије, течност се пење високо уз зид суда јер је угао квашења јако мали. Када је кохезија већа од адхезије, угао квашења је туп и долази до капиларне депресије.

Иста течност кваси једна, а не кваси друга тела. Вода кваси стакло, а не кваси парафин, док жива не кваси стакло, а кваси чисту површину гвожђа. Код одређених парова материјала, као што су жива и стакло, када је већа сила адхезије, долази до неквашења, а када већа сила кохезије долази до квашења. До овога долази зато што је адхезија која делује на молекуле воде у стакленој чаши већа од кохезије воде, и тада вода кваси чашу. Када се жива налази у стакленој чаши, кохезија која делује на молекуле живе је јача од адхезије која делује на стакло. Због тога жива не кваси стакло.

Ниво течности у капиларном суду

У случају када се течност пење уз зидове суда, услед површинског напона, површина течности у цеви тежи минимуму, односно тежи да заузме површину попречног кружног пресека. Пењању течности уз зидове суда се противи тежина стуба изнад нивоа течности. Тежина стуба делује наниже, супротно од првобитног пењања течности навише.

У једном положају се успоставља равнотежа. Сила површинског напона делује у правцу површине течности и заклапа угао θ са зидом цеви. Сила се може разложити на вертикалну и хоризонталну компоненту. Течност се пење навише пошто се хоризонталне компоненте међусобно компензују и остаје само дејство вертикалних компоненти.

При пењању, вертикалне компоненте остају исте, док тежина стуба расте. У једном положају ће се успоставити равнотежа, и тада је тежина стуба једнака вертикалним компонентама.

Сила површинског напона делује по унутрашњем обиму цеви, па је њен интензитет:

$F=2r\pi \gamma ,u[N],$

где је:

γ - површински напон, у [N/m],

r - унутрашњи полупречник цеви, у [m].

Вертикална компонента по целом обиму биће:

$F_{v}=F\cos {\theta }=2r\pi \gamma \cos {\theta },u[N].$

Тежина стуба захваљујући којој се успоставља равнотежа је:

$G=\rho gV=\rho gr^{2}\pi h,u[N],$

а за стање у ком је течност у равнотежи важиће:

$2r\pi \gamma \cos {\theta }=\rho gr^{2}\pi h.$

Односно,

$h={{2\gamma \cos {\theta }} \over {\rho gr}},u[m].$

Ако течност у потпуности кваси зид суда, угао квашења је 0, па је cosθ = 1.

Тада је:

$h={{2\gamma } \over {\rho gr}},u[m].$

У случају капиларне депресије, јављају се исте околности, али у обрнутом смеру.

Стаклена цев је испуњена водом, при нормалним условима (т = 20 °C, θ = 20°), γ = 0.0728 N/m. У оваквим условима

$h\approx {{1.48\times 10^{-5}} \over r}\ {\mbox{m}}.$

Феномени у природи

Транспорт воде и минерала од корена ка вишим деловима биљке, упркос супротном дејству гравитације, омогућује капиларна сила. Такође, капиларним судовима се вода преноси из влажног у суво земљиште.

Капиларне појаве су од суштинског значаја за константну производњу суза у унутрашњем углу очног капка. Тиме се одржава влажност и омогућава заштита ока.

Примена

На капиларности се заснивају многе појаве из свакодневног живота, као што је апсопрција воде помоћу вате или папира. Такође, мале поре сунђера се понашају као ситни капилари, захваљујући чему сунђер може да упије велике количине воде.

Примена капиларних појава је значајна у производњи материјала, посебно материјала коришћених за производњу спортске одеће.

У техници се на примени капиларности заснива флотација.

Капиларни ефекти могу и да донесу штету. При изградњи, мора се узети у обзир апсорпциона способност бетона и потенцијална штета због прокишњавања које проузрокују капиларне појаве.

Извори

1. Павловић Б. 2004. Физика први део. Београд: Технолошко-металуршки факултет Универзитета у Београду
2. Универзитет у Београду, Рударко-геолошки факултет
3. Group of authors. 1991. Britanicca. The University of Chicago
4. Serway R, Faughn J. 1992. College Phisics. Saunders College Publishing