Kapilarita v učebných pomôckach študentov pri výučbe slovníkov
Nárast tekutín v úzkych trubiciach (kapilárach) alebo dutinách je známy ako kapilarita. Okamžite ich môžete pozorovať, napríklad ak v čaji alebo káve držíte kúsok cukru s kúskom.
Pre kapilaritu platí toto: čím užšia trubica alebo dutina, tým vyššia napríklad voda stúpa. Príčinou vzrastu sú molekulové sily a výsledné povrchové napätie kvapaliny.
Existujú aj kvapaliny, v ktorých nastáva presne opačný efekt, to znamená, že kvapalina nestúpa v úzkej trubici, ale vypadáva.
Gravitačný tlak a kontaktný tlak
# Kontaktný tlak # vysoký tlak # pascal # medveď # atmosféry # tlak vzduchu # hustota
Skutočnosť, že hrudka cukru nasiakne čajom, aj keď v čaji držíte iba malý kúsok cukru, je dôsledkom kapilarity. Sací účinok určitých látok alebo stúpanie vody v zemi je tiež spôsobené vzostupnosťou
Vlhké steny v dome vznikajú, keď nie sú dostatočne izolované základové steny, ktoré sú vo vlhkej zemi. Potom môže voda postupne stúpať cez póry v tehlách a viesť k vlhkým stenám. Tu pomáha iba izolácia základových stien vodotesnými vrstvami.
Ak dáte farebnú vodu do nádoby s pripojenými rúrkami, ktoré majú veľmi odlišný prierez, potom je zrejmé, že čím menší je polomer rúrky, tým vyššia voda stúpa.
Odvodenie vzrastu kapiláry h
Experiment znázornený na obrázku 1 ukazuje, že vzrast kapiláry h v kapiláre závisí od jej polomeru r. Teraz je potrebné odvodiť, ako to možno vypočítať.
Voda v trubici (obr. 2) stojaca nad hladinou vody má váhovú silu:
F G = m Fl ⋅ g m Fl hmotnosť kvapaliny nad usadeninou g gravitačné zrýchlenie (priestorový faktor)
Hmotnosť kvapaliny nad usadeninou môže byť nahradená súčinom jej objemu a hustoty. Potom platí:
Objem uvažovaného kúska kapiláry sa dá vypočítať ako objem valca. Vložením nasleduje:
Tu je h požadovaná výška stúpania. Stĺpec kvapaliny je v pokoji, to znamená, že existuje rovnováha síl. Sila, ktorá pôsobí proti váhovej sile, je sila F vyplývajúca z povrchového napätia. Pre túto silu platí:
F = 2 π ⋅ σ ⋅ r σ povrchové napätie r polomer r kapiláry
Teraz môžeme rovnať dve sily:
F = F G 2 π ⋅ σ ⋅ r = π ⋅ r 2 ⋅ h ⋅ ρ ⋅ g
Skrátenie a rozpustenie podľa výšky stúpania h vedie k hľadanému vzťahu
h = 2 σ ρ ⋅ g ⋅ r σ povrchové napätie ρ hustota kvapaliny g lokalizačný faktor r polomer kapiláry
Pre určitú látku závisí výška stúpania iba od polomeru trubice.
Je potrebné poznamenať, že tento vzťah sa vzťahuje iba na prípad úplne zvlhčujúcej kvapaliny. Zvlhčovacia kvapalina je na okraji vyššia ako v strede nádoby. Na rovnom povrchu vytvára šošovkovitú kvapku. Týka sa to napríklad vody.
Nemáčajúca sa kvapalina je naopak v nádobe na okraji nižšia ako v strede. Na rovnom povrchu vytvára malé guľôčky. Takouto nezmáčavou kvapalinou je napríklad ortuť. U takýchto nezmáčacích kvapalín sa vyskytuje nasledujúci účinok: V kapiláre kvapalina nezvyšuje, ale skôr klesá. To sa dá ľahko ukázať na príklade ortuti.
Príklad vody
Kapilárny vzostup vody sa počíta pre rúrku s polomerom 1 mm. Hustota vody je 1 g cm 3 = 1 000 kg m 3 a povrchové napätie je 0,07 N m .
Pre výšku stúpania potom platí: h = 2 σ ρ ⋅ g ⋅ r Výsledkom vloženia číselných hodnôt je: h = 2 ⋅ 0,07 N ⋅ m -1 1 mm ⋅ 1000 kg ⋅ m -3 ⋅ 9,81 m ⋅ s 2 h ≈ 14,3 mm ¯
Za daných podmienok by bola voda vysoká asi 14 mm.