Capilaritate

Capilaritatea apei și a mercurului

Capilaritatea este ansamblul de fenomene datorate interacțiunilor dintre moleculele unui lichid și un solid pe suprafața lor de separare. Forțele în joc care se manifestă în acest fenomen sunt coeziunea , aderența și tensiunea superficială . Numele derivă din faptul că fenomenul este deosebit de evident în tuburile subțiri cu o secțiune comparabilă cu cea a unui păr .

Din capilaritatea apei derivă imbiția , adică mișcarea capilară a moleculelor de apă care umflă substanța îmbibată.

Descriere

Fenomenul de capilaritate apare la suprafața unui lichid ^[1] în contact cu un solid: primul, de fapt, se bucură de proprietatea coeziunii, dar în același timp particulele sale sunt atrase de suprafața solidului; relația dintre forțele de coeziune și aderență determină un factor important în cadrul fenomenelor de capilaritate, deoarece dacă primele sunt mai puternice decât cele de aderență, lichidul nu va "uda" solidul și, prin urmare, o scădere a nivelului lichidului în corespondență a capilarului tub; în cazul opus, însă, lichidul „udă” solidul și apare „creșterea capilară”.

Un efect paralel cu cel al creșterii sau coborârii capilarelor este meniscul : efectele forțelor de coeziune și aderență provoacă, de fapt, și o curbură pe suprafața liberă a lichidului. Dacă curbura este în jos, forțele de aderență sunt mai mari (de exemplu, apă ), în caz contrar forțele de coeziune vor fi preponderente (de exemplu, mercurul ).

Meniscul și capilaritatea sunt fenomene conexe, deoarece atunci când suprafața unui lichid este curbată, se generează o presiune mai mare în partea concavă decât cea existentă în partea convexă; pentru a restabili echilibrul dintre aceste presiuni, lichidul va trebui să crească sau să scadă cu un anumit volum. Fenomenul este mai evident în tuburile capilare, deoarece în acestea partea de lichid în contact cu pereții containerului este mai mare decât volumul total și, prin urmare, partea de lichid care va genera forțele de aderență va fi mai mare și, prin urmare, deplasarea nivelul lichidului din interiorul capilarului va fi mai mare.

Umezeala capilară

Umiditatea în creștere este un posibil fenomen datorită proprietăților capilare ale apei. Creșterea umidității este principala cauză a fenomenelor de degradare a clădirilor. Apa crește prin „capilaritate” de la acvifere la pereții domestici: acest lucru este posibil atunci când acviferul se află până la 6 metri sub pământ. Apa, supusă capilarității, urcă prin conductele prezente în mod natural în subsol până când întâlnește diferite materiale de construcție, comportându-se ca în modelul propus cu principiul vaselor comunicante .

Lichidul conținut în două vase comunicante rămâne la același nivel, cu toate acestea, atunci când vasele au dimensiuni diferite, lichidul va crește într-o măsură invers proporțională cu dimensiunea vaselor în sine, adică cu atât va fi mai mare dimensiunea capilarului ( Legea lui Jurin).). ^[2]

Legea lui Jurin

Efectele capilarității pentru apă și mercur .

Pentru un capilar cilindric de rază $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ , puteți calcula creșterea sau scăderea $h$ ${\ displaystyle h}$ $h$ nivelul lichidului din capilar comparativ cu cel al lichidului din vasul extern. Continuăm cu demonstrarea singurului caz de creștere: pentru a face acest lucru este necesar să observăm că, având în vedere o tijă de lichid în interiorul unui recipient, presiunea de la baza coloanei $p_{b}$ ${\ displaystyle p_ {b}}$ ${\ displaystyle p_ {b}}$ trebuie să fie același cu cel extern $p_{a}$ ${\ displaystyle p_ {a}}$ ${\ displaystyle p_ {a}}$ .

${\begin{cases}p_{a}=p_{0}\\p_{b}=p_{0}+pgh+\alpha \end{cases}}$ ${\ displaystyle {\ begin {cases} p_ {a} = p_ {0} \\ p_ {b} = p_ {0} + pgh + \ alpha \ end {cases}}}$ ${\ displaystyle {\ begin {cases} p_ {a} = p_ {0} \\ p_ {b} = p_ {0} + pgh + \ alpha \ end {cases}}}$

În sistemul anterior de ecuații, s-a folosit legea lui Stevin , în timp ce cu $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ înseamnă un factor de corecție datorat forței de capilaritate; acesta din urmă acționează asupra coloanei de lichid și îi permite să se ridice la înălțime $h$ ${\ displaystyle h}$ $h$ .

Știind asta dimensional $\gamma$ ${\ displaystyle \ gamma}$ $\gamă$ , care este o tensiune superficială, corespunde unei forțe pe unitate de lungime, se poate deduce că forța care acționează asupra coloanei de fluid este $F_{\gamma }=l\gamma$ ${\ displaystyle F _ {\ gamma} = l \ gamma}$ ${\ displaystyle F _ {\ gamma} = l \ gamma}$ , unde este $l=2\pi R$ ${\ displaystyle l = 2 \ pi R}$ ${\ displaystyle l = 2 \ pi R}$ . În acest caz $R.$ ${\ displaystyle R}$ $R.$ corespunde razei sferei ipotetice obținute dacă am extinde curbura capilară cu $360^{\circ }$ ${\ displaystyle 360 ^ {\ circ}}$ $360 ^ \ circ$ . Continuând cu analiza geometrică, nu uitați asta $R=r\cdot cos(\theta )$ ${\ displaystyle R = r \ cdot cos (\ theta)}$ ${\ displaystyle R = r \ cdot cos (\ theta)}$ , unde este $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ este raza de bază a capilarului cilindric, în timp ce $\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ este unghiul dintre suprafața verticală a capilarului și tangenta la curbură la punctul de intersecție dintre perete și lichid. Toate aceste considerații permit obținerea următoarei ecuații:

$2\pi R\gamma =mg\rightarrow 2\pi r\gamma \cos(\theta )=\rho \pi r^{2}hg$ ${\ displaystyle 2 \ pi R \ gamma = mg \ rightarrow 2 \ pi r \ gamma \ cos (\ theta) = \ rho \ pi r ^ {2} hg}$ ${\ displaystyle 2 \ pi R \ gamma = mg \ rightarrow 2 \ pi r \ gamma \ cos (\ theta) = \ rho \ pi r ^ {2} hg}$

asa de

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

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

h = {2 {\ gamma \ cos {\ theta}} \ over {\ rho g r}}

unde este:

$\gamma$ ${\ displaystyle \ gamma}$ $\gamă$ este tensiunea superficială ( $J/m^{2}$ ${\ displaystyle J / m ^ {2}}$ ${\ displaystyle J / m ^ {2}}$ sau $N/m$ ${\ displaystyle N / m}$ ${\ displaystyle N / m}$ );
$\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ este unghiul de legătură între suprafața lichidului și peretele recipientului;
$\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ este densitatea lichidului $(kg/m^{3})$ ${\ displaystyle (kg / m ^ {3})}$ ${\ displaystyle (kg / m ^ {3})}$ ;
$g$ ${\ displaystyle g}$ $g$ este accelerarea gravitației $(m/s^{2})$ ${\ displaystyle (m / s ^ {2})}$ ${\ displaystyle (m / s ^ {2})}$ ;
$r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ este raza capilarului $(m)$ ${\ displaystyle (m)}$ ${\ displaystyle (m)}$ ;
$h$ ${\ displaystyle h}$ $h$ este modificarea înălțimii lichidului din capilar față de cea a lichidului din recipientul extern $(m)$ ${\ displaystyle (m)}$ ${\ displaystyle (m)}$ .

Numărul de capilaritate

În dinamica fluidelor , numărul de capilaritate $(Ca)$ ${\ displaystyle (Ca)}$ ${\ displaystyle (Ca)}$ este un număr adimensional , care reprezintă efectul relativ al forțelor vâscoase în raport cu tensiunea superficială la interfața dintre un lichid de fază și un gaz de fază sau între nemiscibile fluide. Acest număr este definit ca:

{\text{Ca}}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\mu u}{\gamma }}

{\ displaystyle {\ text {Ca}} \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac {\ mu u} {\ gamma}}}

{\ displaystyle {\ text {Ca}} \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac {\ mu u} {\ gamma}}}

unde este:

$\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ este vâscozitatea lichidului;
$tu$ ${\ displaystyle u}$ $tu$ este viteza dinamică a fluidului;
$\gamma$ ${\ displaystyle \ gamma}$ $\gamă$ este tensiunea superficială dintre două faze ale fluidului.

Pentru un număr mic de capilaritate (de obicei mai mic decât $10^{-5}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 5}}$ $10 ^ {{- 5}}$ ), fluxurile în medii poroase sunt dominate de forțe capilare.

Notă

^ (RO) Visual.com- Informații despre fotografie pe www.visual.com. accesso necesită url ( ajutor )
^ Cum se elimină umezeala în creștere de pe pereți - Tehnologie și mediu ^{[ link întrerupt ]} , în Tehnologie și mediu , 9 decembrie 2017. Adus 9 decembrie 2017 .

Bibliografie

Tratat teoretic și practic de hidromecanică. v.1 , Donato Spataro, U. Hoepli, Milano, 1915.
Landau LD , Lifšic EM , Physical Statistical , Rome, Editori Riuniti, 1978.
( EN ) Landau LD, Lifshitz EM, Mecanica fluidelor , Pergamon Press, 1959.
( EN ) de Gennes PG, Brochard-Wyart F., Quéré D., Capillary and Wetting Phenomena. Picături, bule, perle, valuri , New York, Springer-Verlag, 2004.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe Capilaritate

linkuri externe

( EN ) Capilaritate , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controlul autorității	GND (DE) 4029556-4 · NDL (EN, JA) 00.576.296

Portalul de fizică

Portal de inginerie

[1] (RO) Visual.com- Informații despre fotografie pe www.visual.com. accesso necesită url ( ajutor )

[2] Cum se elimină umezeala în creștere de pe pereți - Tehnologie și mediu ^{[ link întrerupt ]} , în Tehnologie și mediu , 9 decembrie 2017. Adus 9 decembrie 2017 .

[1]

[2]