Fenomeni capillari (fisica). Fenomeni capillari in natura

Tra i processi che possono essere spiegati con l'aiuto della tensione superficiale e della bagnatura dei liquidi, vale la pena evidenziare i fenomeni capillari. La fisica è una scienza misteriosa e straordinaria, senza la quale la vita sulla Terra sarebbe impossibile. Diamo un'occhiata all'esempio più vivido di questa importante disciplina.

Nella pratica della vita, un tale interessante dal punto di vista dei processi fisici, come i fenomeni capillari, sono abbastanza comuni. Il fatto è che nella vita di tutti i giorni siamo circondati da molti corpi che assorbono facilmente i liquidi. La ragione di ciò è la loro struttura porosa e le leggi elementari della fisica, e il risultato è un fenomeno capillare.

Tubo stretto

Un capillare è un tubo molto stretto in cui un fluido si comporta in modo speciale. Esistono molti esempi di tali vasi in natura: i capillari del sistema circolatorio, i corpi porosi, il suolo, le piante, ecc.

Un fenomeno capillare è l'innalzamento o l'abbassamento di liquidi lungo i tubi stretti. Tali processi sono osservati nei canali naturali di esseri umani, piante e altri corpi, così come in speciali vasi di vetro stretti. L'immagine mostra che diversi livelli di acqua sono stati stabiliti nei tubi comunicanti di diverso spessore. Si noti che più la nave è sottile, più è alto il livello dell'acqua.

Questi fenomeni sono alla base delle proprietà assorbenti degli asciugamani, della nutrizione delle piante, del movimento dell'inchiostro lungo il nucleo e di molti altri processi.

Fenomeni capillari in natura

Il processo sopra descritto è estremamente importante per il mantenimento della vita vegetale. Il terreno è abbastanza sciolto, ci sono degli spazi tra le sue particelle, che sono una rete capillare. L'acqua sale lungo questi canali, alimentando l'apparato radicale delle piante con l'umidità e tutte le sostanze necessarie.

Per gli stessi capillari, il liquido evapora attivamente, quindi è necessario arare la terra, che distruggerà i canali e manterrà i nutrienti. E viceversa, il terreno pressato farà evaporare l'umidità più velocemente. Questo spiega l'importanza di coltivare il terreno per trattenere le falde acquifere.

Nelle piante, il sistema capillare fornisce un aumento di umidità dalle piccole radici alle parti più alte e attraverso le foglie evapora nell'ambiente esterno.

Tensione superficiale e bagnatura

Al centro della questione del comportamento del fluido nei vasi sono processi fisici come la tensione superficiale e la bagnatura. I fenomeni capillari a causa loro sono studiati in combinazione.

Sotto l'azione della forza di tensione superficiale, il fluido bagnante nei capillari è al di sopra del livello al quale dovrebbe essere in accordo con la legge delle navi comunicanti. Al contrario, la sostanza non bagnante si trova al di sotto di questo livello.

Pertanto, l'acqua nel tubo di vetro (liquido bagnante) sale ad un'altezza maggiore, più sottile è la nave. Al contrario, il mercurio contenuto in una provetta di vetro (liquido non bagnante) viene abbassato più in basso, più questa capacità è sottile. Inoltre, come indicato nella figura, il fluido bagnante forma una forma concava del menisco e non bagnante - un convesso.

bagnare

Questo è un fenomeno che si verifica al confine dove il liquido entra in contatto con un solido (un altro liquido, gas). Sorge a causa di una speciale interazione di molecole al confine del loro contatto.

La piena bagnatura significa che la goccia si diffonde sulla superficie di un solido e il non bagnare lo trasforma in una sfera. In pratica, questo o quel grado di bagnatura è più frequente rispetto alle opzioni estreme.

Forza di tensione superficiale

La superficie della goccia ha una forma sferica e la ragione di ciò è la legge che agisce sulla tensione superficiale del liquido.

I fenomeni capillari sono dovuti al fatto che il lato concavo del liquido nel tubo tende a raddrizzarsi in uno stato piatto a causa delle forze di tensione superficiale. Questo è accompagnato dal fatto che le particelle esterne portano i corpi sotto di loro verso l'alto con loro, e la sostanza sale sul tubo. Tuttavia, il liquido nel capillare non può assumere una forma superficiale piatta e questo processo di sollevamento continua fino a un certo momento di equilibrio. Per calcolare l'altezza alla quale la colonna d'acqua sale (scende), è necessario utilizzare le formule che verranno presentate di seguito.

Calcolo dell'altezza dell'aumento della colonna d'acqua

Il momento di fermare l'aumento dell'acqua nel tubo stretto arriva quando la gravità P della sostanza della sostanza equilibra la forza di tensione superficiale F. Questo momento determina l'altezza della risalita del fluido. I fenomeni capillari sono dovuti a due forze dirette in modo diverso:

• i _{fili di} gravità P fanno cadere il fluido;
• la forza di tensione superficiale F muove l'acqua verso l'alto.

La forza di tensione superficiale che agisce attorno alla circonferenza, dove il liquido è a contatto con le pareti del tubo, è pari a:

F = σ2πr,

dove r è il raggio del tubo.

La gravità che agisce sul fluido nel tubo è:

P ty = ρπr2hg,

dove ρ è la densità del liquido; h è l'altezza della colonna liquida nel tubo;

Quindi, la sostanza smetterà di aumentare, a condizione che P sia _pesante = F, il che significa che

ρπr ² hg = σ2πr,

quindi l'altezza del fluido nel tubo è pari a:

h = 2σ / pqr.

Allo stesso modo per il fluido non bagnante:

h è l'altezza dell'abbassamento della sostanza nel tubo. Come si può vedere dalle formule, l'altezza a cui l'acqua sale in una nave stretta (sink) è inversamente proporzionale al raggio del serbatoio e alla densità del liquido. Questo vale per la bagnatura di liquidi e non bagnanti. In altre condizioni, è necessario apportare un emendamento in base alla forma del menisco, che sarà presentato nel prossimo capitolo.

Pressione di Laplace

Come già notato, il fluido nei tubi stretti si comporta in modo tale da dare l'impressione di una violazione della legge delle navi comunicanti. Questo fatto accompagna sempre i fenomeni capillari. La fisica lo spiega con l'aiuto della pressione di Laplace, che è diretta verso l'alto con un fluido bagnante. Mettendo un tubo molto stretto nell'acqua, osserviamo come il liquido viene disegnato ad un certo livello h. Secondo la legge delle navi comunicanti, doveva essere bilanciato con il livello dell'acqua esterna.

Questa discrepanza è spiegata dalla direzione della pressione di Laplace p _l :

p _l = 2σ / R,

In questo caso, è diretto verso l'alto. L'acqua viene aspirata nel tubo fino al livello in cui si verifica l'equilibrio con la pressione idrostatica p _g della colonna d'acqua:

p _g = pqh

e se p _l = p _g , allora puoi equiparare due parti dell'equazione:

2σ / R = pqh.

Ora l'altezza h è facile da ricavare come formula:

h = 2σ / pqR.

Quando la bagnatura è completa, il menisco, che forma la superficie concava dell'acqua, ha la forma di un emisfero, dove Ɵ = 0. In questo caso, il raggio della sfera R sarà uguale al raggio interno del capillare r. Da qui otteniamo:

h = 2σ / pqr.

E in caso di bagnatura incompleta, quando Ɵ ≠ 0, il raggio della sfera può essere calcolato con la formula:

R = r / cosƟ.

Quindi l'altezza desiderata, avendo una correzione per l'angolo, sarà uguale a:

h = (2σ / pqr) cos Ɵ .

Dalle equazioni presentate, si può vedere che l'altezza h è inversamente proporzionale al raggio interno del tubo r. L'acqua raggiunge la sua massima altezza in vasi che hanno il diametro di un capello umano, che sono chiamati capillari. Come sapete, il fluido di bagnatura viene aspirato e il fluido non bagnante viene premuto verso il basso.

Puoi condurre un esperimento prendendo vasi comunicanti, dove uno di essi è largo e l'altro è molto stretto. Dopo aver versato acqua, è possibile notare un diverso livello di liquido, e nella variante con la sostanza bagnante il livello nel tubo stretto è più alto, e con quello non bagnante è più basso.

L'importanza dei fenomeni capillari

Senza i fenomeni capillari, l'esistenza di organismi viventi è semplicemente impossibile. È attraverso le più piccole navi che il corpo umano riceve ossigeno e sostanze nutritive. Le radici delle piante - una rete di capillari, che estrae l'umidità dal terreno, portandola fino alle foglie superiori.

La semplice pulizia della casa è impossibile senza fenomeni capillari, perché su questo principio il tessuto assorbe l'acqua. L'asciugamano, l'inchiostro, lo stoppino nella lampada a olio e una varietà di dispositivi funzionano su questa base. I fenomeni capillari nella tecnologia svolgono un ruolo importante nell'essiccazione di corpi porosi e altri processi.

A volte questi stessi fenomeni producono conseguenze indesiderate, ad esempio i pori di un mattone assorbono l'umidità. Per evitare l'umidità degli edifici sotto l'influenza delle falde acquifere, è necessario proteggere la fondazione con materiali impermeabili: bitume, feltro per tetti o carta per tetti.

Per esempio, i vestiti bagnati sotto la pioggia, i pantaloni fino alle ginocchia che camminano attraverso le pozzanghere sono dovuti anche a fenomeni capillari. Ci sono molti esempi di questo fenomeno naturale che ci circonda.

Sperimenta con i fiori

Esempi di fenomeni capillari si possono trovare in natura, specialmente quando si tratta di piante. I loro bauli hanno molte piccole navi all'interno. Puoi condurre un esperimento con la colorazione dei fiori in qualsiasi colore brillante a causa dei fenomeni capillari.

È necessario prendere acqua colorata e un fiore bianco (o foglia di cavolo di Pechino, gambo di sedano) e metterlo in un bicchiere con questo liquido. Dopo un po 'di tempo sulle foglie di cavolo di Pechino si può vedere mentre la vernice si sposta verso l'alto. Il colore della pianta cambierà gradualmente in base alla vernice in cui è posizionata. Ciò è dovuto al movimento della sostanza sugli steli secondo le leggi che sono state considerate da noi in questo articolo.