Капиллярное действие

Капиллярное действие (иногда капиллярность , капиллярное движение , капиллярный эффект или капиллярность ) - это способность жидкости течь в узких пространствах без помощи или даже в противовес внешним силам, таким как сила тяжести . Эффект можно увидеть в нанесении жидкости между волосками малярной 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 биологическая клетка . Это происходит из-за межмолекулярных силмежду жидкостью и окружающими твердыми поверхностями. Если диаметр трубки достаточно мал, тогда комбинация поверхностного натяжения (которое вызвано когезией внутри жидкости) и сил сцепления между жидкостью и стенкой емкости способствует продвижению жидкости. ^[1]

История [ править ]

Первое зарегистрированное наблюдение капиллярного действия было сделано Леонардо да Винчи . ^{[2] [3]} Бывший студент Galileo , Никколо Aggiunti , как сообщается, исследовали капиллярное действие. ^[4] В 1660 году капиллярное действие все еще было новинкой для ирландского химика Роберта Бойля., когда он сообщил, что «некоторые любознательные французы» заметили, что когда капиллярная трубка погружается в воду, вода поднимается «на некоторую высоту 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, которое регулирует ртутные барометры. ^[5]

Другие вскоре последовали примеру Бойля. ^[6] Некоторые (например, Оноре Фабри , ^[7] Джейкоб Бернулли ^[8] ) считали, что жидкость поднимается 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 , ^[9] Джованни Альфонсо Борелли , ^[10] Луи Карре , ^[11] Фрэнсис Хоксби , ^[12] Джозия Вейтбрехт ^[13] ) думали, что частицы жидкости притягиваются друг к другу и к стенкам. капилляра.

Хотя экспериментальные исследования продолжались в 18 веке ^[14], успешное количественное лечение капиллярного действия ^[15] не было достигнуто до 1805 года двумя исследователями: Томасом Янгом из Соединенного Королевства ^[16] и Пьером-Симоном Лапласом из Франции. ^[17] Они вывели уравнение капиллярного действия Юнга – Лапласа . К 1830 году немецкий математик Карл Фридрих Гаусс определил граничные условия, управляющие капиллярным действием (т.е. условия на границе раздела жидкость-твердое тело). ^[18] В 1871 году британский физик Уильям Томсон, первый барон Кельвинопределила влияние мениска на давление пара жидкости - соотношение, известное как уравнение Кельвина . ^[19] Немецкий физик Франц Эрнст Нойман (1798–1895) впоследствии определил взаимодействие между двумя несмешивающимися жидкостями. ^[20]

Первая статья Альберта Эйнштейна , представленная в Annalen der Physik в 1900 году, была посвящена капиллярности. ^{[21] [22]}

Явления и физика [ править ]

Капиллярное проникновение в пористую среду имеет общий динамический механизм с потоком в полых трубках, поскольку обоим процессам препятствуют силы вязкости. ^[23] Следовательно, обычным прибором, используемым для демонстрации этого явления, является капиллярная трубка . Когда нижний конец стеклянной трубки помещается в жидкость, например воду, образуется вогнутый мениск . Между жидкостью и твердой внутренней стенкой возникает адгезия, тянущая за собой столб жидкости до тех пор, пока масса жидкости не станет достаточной для гравитационных сил.чтобы преодолеть 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 тянуть столб жидкости дальше, чем более широкая трубка, при условии, что внутренние молекулы воды в достаточной степени сцепляются с внешними.

У растений и животных [ править ]

Капиллярное действие наблюдается у многих растений. Вода поднимается высоко в деревья за счет ветвления; испарение на листьях, создающее разгерметизацию; вероятно, за счет осмотического давления у корней; и, возможно, в других местах внутри растения, особенно при сборе влаги корнями воздуха . ^{[24] [25]}

Капиллярное действие по поглощению воды было описано у некоторых мелких животных, таких как Ligia exotica ^[26] и Moloch horridus . ^[27]

Примеры [ править ]

В искусственной среде капиллярное проникновение, ограниченное испарением, является причиной явления повышения влажности в бетоне и кирпичной кладке , в то время как в промышленности и диагностической медицине это явление все чаще используется в области микрофлюидики на основе бумаги . ^[23]

В физиологии капиллярное действие необходимо для оттока непрерывно производимой слезной жидкости из глаза. Два канала крошечного диаметра присутствуют во внутреннем углу века , также называемом слезными протоками ; их отверстия можно увидеть невооруженным глазом внутри слезных мешочков, когда веки вывернуты.

Растекание - это поглощение жидкости материалом, напоминающим фитиль свечи. Бумажные полотенца впитывают жидкость за счет капиллярного действия, позволяя жидкости переноситься с поверхности на полотенце. Маленькие поры губки действуют как маленькие капилляры, заставляя ее впитывать большое количество жидкости. Некоторые текстильные ткани обладают капиллярным действием, чтобы «отводить» пот от кожи. Их часто называют влагоотводящими тканями из- за капиллярных свойств фитилей свечей и ламп .

Капиллярное действие наблюдается в тонкослойной хроматографии , при которой растворитель перемещается вертикально вверх по пластине за счет капиллярного действия. В этом случае поры представляют собой промежутки между очень маленькими частицами.

Капиллярное действие направляет чернила на кончики перьев перьевой ручки из резервуара или картриджа внутри ручки.

В некоторых парах материалов, таких как ртуть и стекло, межмолекулярные силы внутри жидкости превышают силы между твердым телом и жидкостью, поэтому образуется выпуклый мениск, и капиллярное действие работает в обратном направлении.

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 почвенном потенциале ( ) стимулируют капиллярное действие в почве.${\ displaystyle \ Psi _ {m}}$

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. Из-за капиллярного действия и силы тяжести вода будет медленно переходить из резервуара в приемный резервуар. Это простое устройство можно использовать для полива комнатных растений, когда никого нет дома.

Высота мениска [ править ]

Высота столба жидкости h определяется законом Юрина ^[28].

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

где - поверхностное натяжение жидкость-воздух (сила / единица длины), θ - угол смачивания , ρ - плотность жидкости (масса / объем), g - местное ускорение свободного падения (длина / квадрат времени ^[29]] ), r - радиус трубки. Таким образом, чем тоньше пространство, в котором может перемещаться вода, тем выше она поднимается.${\ Displaystyle \ scriptstyle \ gamma}$

Для стеклянной трубки, наполненной водой, в воздухе в стандартных лабораторных условиях γ = 0,0728 Н / м при 20  ° C, ρ = 1000 кг / м ³ и g = 9,81 м / с ² . Для этих значений высота водяного столба равна

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

Таким образом, для стеклянной трубки 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 [ править ]

Когда сухая пористая среда входит в контакт с жидкостью, она поглощает 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 ^[23], и широко наблюдается в обычных ситуациях, включая поглощение жидкости бумагой и повышение влажности в бетонных или кирпичных 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

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

где S - сорбционная способность среды в м · с ^−1/2 или мм · мин ^−1/2 . Эта зависимость от времени аналогична уравнению Уошберна для капилляров и пористой среды. ^[30] Количество

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

называется совокупным забором жидкости, имеющим размерность 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; смоченная длина тогда

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

Некоторые авторы используют величину S / f в качестве сорбционной способности. ^[31] Приведенное выше описание относится к случаю, когда сила тяжести и испарение не играют роли.

Сорбционная способность - важное свойство строительных материалов, так как она влияет на количество поднимающейся влажности . Некоторые значения сорбционной способности строительных материалов приведены в таблице ниже.

См. Также [ править ]

• Номер облигации
• Связанная вода
• Капиллярная кайма
• Капиллярное давление
• Капиллярная волна
• Капиллярные мостики
• Гидроизоляционный ход
• Закон Дарси
• Морозные цветы
• Морозное пучение
• Индуистское молочное чудо
• Крог модель
• Игольчатый лед
• Поверхностное натяжение
• Уравнение вашберна
• Вода
• Эффект фитиля
• Уравнение Юнга – Лапласа

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, 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.