Капиллярное действие

редактировать

Капиллярное действие воды по сравнению с ртутью, в каждом случае по отношению к полярной поверхности, такой как стекло

Капиллярное действие (иногда капиллярность, капиллярное движение, капиллярный эффект или капиллярность ) - это способность жидкости течь внутрь узкие пространства без помощи или даже против внешних сил, таких как гравитация. Эффект проявляется в нанесении жидкости между волосками кисти, в тонкой трубке, в пористых материалах, таких как бумага и гипс, в некоторых непористых материалах, таких как песок и сжиженное углеродное волокно. или в биологической клетке. Это происходит из-за межмолекулярных сил между жидкостью и окружающими твердыми поверхностями. Если диаметр трубки достаточно мал, то сочетание поверхностного натяжения (которое вызвано когезией внутри жидкости) и силами сцепления между жидкостью и стенка контейнера способствует выталкиванию жидкости.

Содержание

1 История
2 Явления и физика
3 У растений и животных
4 Примеры
5 Высота мениска
6 Перенос жидкости в пористой среде
7 См. Также
8 Ссылки
9 Дополнительная литература

История

Первое зарегистрированное наблюдение капиллярного действия было сделано Леонардо да Винчи. Бывший студент Галилео, Никколо Аггиунти, как сообщается, исследовал капиллярное действие. В 1660 году капиллярное действие все еще было новинкой для ирландского химика Роберта Бойля, когда он сообщил, что «некоторые любознательные французы» заметили, что когда капиллярную трубку погружают в воду, вода поднимается вверх. некоторая высота в трубе ». Затем Бойль сообщил об эксперименте, в котором он окунул капиллярную трубку в красное вино, а затем подверг ее воздействию частичного вакуума. Он обнаружил, что вакуум не оказывает заметного влияния на высоту жидкости в капилляре, поэтому поведение жидкостей в капиллярных трубках было обусловлено каким-то явлением, отличным от того, что управляло ртутными барометрами.

Вскоре последовали и другие методы Бойля. вести. Некоторые (например, Оноре Фабри, Джейкоб Бернулли ) считали, что жидкости поднимаются в капиллярах, потому что воздух не может проникать в капилляры так же легко, как жидкости, поэтому давление воздуха внутри капилляров было ниже. Другие (например, Исаак Воссиус, Джованни Альфонсо Борелли, Луи Карре, Фрэнсис Хоксби, Джозия Вейтбрехт ) думали, что частицы жидкости притягиваются друг к другу и к стенкам капилляра.

Хотя экспериментальные исследования продолжались в 18 веке, успешного количественного лечения капиллярного действия не добились до 1805 года два исследователя: Томас Янг из Соединенного Королевства и Пьер-Симон. Лаплас Франции. Они вывели уравнение Юнга – Лапласа капиллярного действия. К 1830 году немецкий математик Карл Фридрих Гаусс определил граничные условия, управляющие капиллярным действием (т. Е. Условия на границе раздела жидкость-твердое тело). В 1871 г. британский физик Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин определил влияние мениска на давление пара жидкости - соотношение, известное как Уравнение Кельвина. Немецкий физик Франц Эрнст Нойман (1798–1895) впоследствии определил взаимодействие между двумя несмешивающимися жидкостями.

Первая статья Альберта Эйнштейна, которая была отправлена в Annalen der Physik в 1900 году был посвящен капиллярности.

Явления и физика

Эксперимент с капиллярными потоками для исследования капиллярных потоков и явлений на борту Международной космической станции

Проникновение капилляров в пористые среды разделяет свой динамический механизм с течет в полых трубках, так как обоим процессам противодействуют силы вязкости. Следовательно, обычным прибором, используемым для демонстрации этого явления, является капиллярная трубка. Когда нижний конец стеклянной трубки помещается в жидкость, например воду, образуется вогнутый мениск. Адгезия происходит между жидкостью и твердой внутренней стенкой, тянущей за собой столб жидкости, пока не будет достаточно массы жидкости, чтобы гравитационные силы преодолели эти межмолекулярные силы. Длина контакта (по краю) между верхом столба жидкости и трубкой пропорциональна радиусу трубки, а вес столба жидкости пропорционален квадрату радиуса трубки. Таким образом, узкая трубка будет втягивать столб жидкости дальше, чем более широкая, при условии, что внутренние молекулы воды в достаточной степени сцепляются с внешними.

У растений и животных

Капиллярное действие наблюдается у многих растений. Вода поднимается высоко в деревья за счет ветвления; испарение на листьях, создающее разгерметизацию; вероятно из-за осмотического давления, добавленного у корней; и, возможно, в других местах внутри растения, особенно при сборе влаги с помощью воздушных корней.

Капиллярное действие по поглощению воды было описано у некоторых мелких животных, таких как Ligia exotica и Moloch horridus.

Примеры

В искусственной среде капиллярное проникновение, ограниченное испарением, является причиной явления повышения влажности в бетоне и каменной кладке, в то время как в промышленности и диагностической медицине это явление все чаще используется в области бумажной микрофлюидики.

В физиологии капиллярное действие имеет важное значение для отвода непрерывно производимой слезной жидкости из глаз. Во внутреннем углу века имеются два канальца крошечного диаметра, также называемые слезными протоками ; их отверстия можно увидеть невооруженным глазом внутри слезных мешочков, когда веки вывернуты.

Растекание - это поглощение жидкости материалом наподобие фитиля свечи. Бумажные полотенца впитывают жидкость за счет капиллярного действия, позволяя жидкости переноситься с поверхности на полотенце. Маленькие поры губки действуют как маленькие капилляры, заставляя их впитывать большое количество жидкости. Некоторые текстильные ткани обладают капиллярным действием, чтобы «отводить» пот от кожи. Их часто называют впитывающими тканями, после того как капиллярные свойства свечи и фитилей лампы .

Капиллярное действие наблюдается в тонкослойной хроматографии, в котором растворитель движется вертикально вверх по пластине за счет капиллярного действия. В этом случае поры представляют собой промежутки между очень мелкими частицами.

Капиллярное действие притягивает чернила к кончикам перьевой ручки наконечников из резервуара или картриджа внутри пера.

Для некоторых пар материалов, таких как ртуть и стекло, межмолекулярные силы внутри жидкости превышают силы между твердым телом и жидкостью, поэтому выпуклый мениск образует и капиллярное действие работает наоборот.

В гидрологии капиллярное действие описывает притяжение молекул воды к частицам почвы. Капиллярное действие отвечает за перемещение грунтовых вод из влажных участков почвы в сухие. Различия в потенциале ( $Ψ m {\ displaystyle \ Psi _ {m}}$ $\ Psi_m$ ) вызывают капиллярное действие в почве.

Практическое применение капиллярного действия - сифон капиллярного действия. Вместо использования полой трубки (как в большинстве сифонов) это устройство состоит из отрезка шнура, сделанного из волокнистого материала (хорошо подходят хлопковый шнур или веревка). После пропитывания шнура водой один (утяжеленный) конец помещают в емкость с водой, а другой конец - в приемную емкость. Емкость должна быть выше принимающей емкости. Благодаря капиллярному действию и силе тяжести вода будет медленно переходить из резервуара в принимающий резервуар. Это простое устройство можно использовать для полива комнатных растений, когда никого нет дома.

Высота мениска

График зависимости высоты воды в капилляре от диаметра капилляра

Высота h столба жидкости определяется по закону Юрина

h = 2 γ cos ⁡ θ ρ гр, {\ displaystyle h = {{2 \ gamma \ cos {\ theta}} \ over {\ rho gr}},}

h = {{2 \ gamma \ cos {\ theta}} \ over {\ rho gr}},

где $γ {\ displaystyle \ scriptstyle \ gamma}$ $\ scriptstyle \ gamma$ - это поверхностное натяжение жидкость-воздух (сила на единицу длины), θ - угол контакта, ρ - плотность жидкости (масса / объем), g - локальное ускорение свободного падения (длина / квадрат времени), а r - радиус трубы. Таким образом, чем тоньше пространство, в котором может перемещаться вода, тем выше она поднимается.

Для наполненной водой стеклянной трубки в воздухе в стандартных лабораторных условиях γ = 0,0728 Н / м при 20 ° C, ρ = 1000 кг / м и g = 9,81 м / с. Для этих значений высота водяного столба составляет

h ≈ 1,48 × 10 - 5 м 2 r. {\ displaystyle h \ приблизительно {{1,48 \ times 10 ^ {- 5} \ {\ t_dv {m}} ^ {2}} \ over r}.}

{\ displaystyle h \ приблизительно {{1,48 \ times 10 ^ {- 5} \ {\ t_dv {m}} ^ {2}} \ over r}.}

Таким образом, для стекла радиусом 2 м (6,6 фута) В лабораторных условиях, указанных выше, вода поднимется на незаметные 0,007 мм (0,00028 дюйма). Однако для трубы с радиусом 2 см (0,79 дюйма) вода поднимется на 0,7 мм (0,028 дюйма), а для трубы с радиусом 0,2 мм (0,0079 дюйма) вода поднимется на 70 мм (2,8 дюйма).

Перенос жидкости в пористой среде

Капиллярный поток в кирпиче, с сорбционной способностью 5,0 мм · мин и пористостью 0,25.

Когда сухая пористая среда приводится в контакт с жидкостью, он будет поглощать жидкость со скоростью, которая со временем уменьшается. При рассмотрении испарения проникновение жидкости достигнет предела, зависящего от параметров температуры, влажности и проницаемости. Этот процесс известен как капиллярное проникновение, ограниченное испарением, и широко наблюдается в обычных ситуациях, включая поглощение жидкости бумагой и повышение влажности в бетонных или каменных стенах. Для отрезка материала в форме стержня с площадью поперечного сечения A, который смачивается с одного конца, совокупный объем V абсорбированной жидкости через время t равен

V = AS t, {\ displaystyle V = AS {\ sqrt { t}},}

V = AS \ sqrt {t},

где S - сорбционная способность среды в м · с или мм · мин. Эта зависимость от времени аналогична уравнению Уошберна для капилляров и пористой среды. Величина

i = V A {\ displaystyle i = {\ frac {V} {A}}}

i = \ frac {V} {A}

называется совокупным поступлением жидкости с размером длины. Смоченная длина стержня, то есть расстояние между смоченным концом стержня и так называемым влажным фронтом, зависит от доли f объема, занятого пустотами. Это число f - пористость среды; тогда смоченная длина составляет

x = i f = S f t. {\ displaystyle x = {\ frac {i} {f}} = {\ frac {S} {f}} {\ sqrt {t}}.}

x = \ frac {i} {f} = \ frac {S} {f} \ sqrt {t}.

Некоторые авторы используют количество S / f в качестве сорбционной способности. Вышеприведенное описание относится к случаю, когда сила тяжести и испарение не играют роли.

Сорбционная способность является важным свойством строительных материалов, потому что она влияет на величину повышения влажности. Некоторые значения сорбционной способности строительных материалов приведены в таблице ниже.

Сорбционная способность выбранных материалов (источник :)
Материал	Сорбционная способность. (мм · мин)
Газобетон	0,50
Гипсовая штукатурка	3,50
Глиняный кирпич	1,16
Раствор	0,70
Бетонный кирпич	0,20

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Викискладе есть средства массовой информации, связанные с капиллярным действием.

де Женн, Пьер-Жиль; Брошар-Вяр, Франсуаза; Quéré, Дэвид (2004). Капиллярность и явления смачивания. Springer Нью-Йорк. DOI : 10.1007 / 978-0-387-21656-0. ISBN 978-1-4419-1833-8.