Kılcal etki - Capillary action

Bir serinin parçası
Süreklilik mekaniği
${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi }{dx}}}$ Fick'in difüzyon yasaları
kanunlar Korumalar Yığın İtme Enerji eşitsizlikler Clausius-Duhem (entropi)
katı mekanik Deformasyon esneklik doğrusal plastisite Hook kanunu Stres sonlu gerinim sonsuz küçük gerinim uyumluluk bükme İletişim mekaniği sürtünme Malzeme hatası teorisi Kırılma mekaniği
Akışkanlar mekaniği sıvılar Statik  · Dinamikler Arşimet ilkesi  · Bernoulli ilkesi Navier-Stokes denklemleri Poiseuille denklemi  · Pascal yasası viskozite ( Newtoncu  · Newtoncu olmayan ) Yüzdürme  · Karıştırma  · Basınç sıvılar yapışma Kılcal etki kromatografi Uyum (kimya) Yüzey gerilimi gazlar Atmosfer Boyle Kanunu Charles yasası Kombine gaz yasası Fick yasası Gay-Lussac yasası Graham yasası Plazma
reoloji viskoelastisite reometri reometre Akıllı sıvılar elektroreolojik manyetoreolojik ferroakışkanlar
Bilim insanları Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Fick Gay-Lussac Graham kanca Newton denizci hayır paskal stoklamak Truesdell
v T e

Kapiler etki , su ile karşılaştırıldığında (polar) civa (polar olmayan), cam gibi bir polar yüzeye göre her bir durumda (= Si-OH)

Kılcal hareket (bazen kılcallık , kılcal hareket , kılcal etki veya fitilleme ), bir sıvının , yerçekimi gibi herhangi bir dış kuvvetin yardımı olmadan ve hatta ona karşı olmadan dar bir alanda akma sürecidir . Etki, bir boya fırçasının kılları arasında, ince bir tüp içinde, kağıt ve alçı gibi gözenekli malzemelerde, kum ve sıvılaştırılmış karbon fiber gibi bazı gözeneksiz malzemelerde veya bir biyolojik hücre . Sıvı ve çevreleyen katı yüzeyler arasındaki moleküller arası kuvvetler nedeniyle oluşur . Tüpün çapı yeterince küçükse, yüzey gerilimi ( sıvı içindeki kohezyonun neden olduğu ) ve sıvı ile kap duvarı arasındaki yapışkan kuvvetlerin kombinasyonu sıvıyı itmek için hareket eder.

etimoloji

Kılcal, "saçtan veya saça benzeyen" anlamına gelen Latince capillaris kelimesinden gelir. Anlamı, kılcal damarın küçük, tüy gibi çapından kaynaklanmaktadır. Kılcal genellikle bir isim olarak kullanılsa da, kelime aynı zamanda bir sıvının hareket ettirildiği "kılcal hareket" de olduğu gibi bir sıfat olarak da kullanılır - yerçekimine karşı, hatta yukarı doğru - sıvı, sıvının iç yüzeyine çekilirken. kılcal damarlar.

terleme

Köklerden yapraklara sıvı suyun kütle akışı kısmen kılcal hareketle sağlanır, ancak esas olarak su potansiyeli farkları tarafından yönlendirilir . Ortam havasındaki su potansiyeli, stoma gözeneklerinin yaprak hava boşluğundaki su potansiyelinden düşükse, su buharı eğimden aşağı doğru hareket edecek ve yaprak hava sahasından atmosfere hareket edecektir. Bu hareket, yaprak hava boşluğundaki su potansiyelini düşürür ve mezofil hücre duvarlarından sıvı suyun buharlaşmasına neden olur. Bu buharlaşma hücre duvarlarındaki su menisküslerindeki gerilimi artırarak yarıçaplarını ve dolayısıyla hücrelerdeki suya uygulanan gerilimi azaltır. Suyun yapışkan özelliklerinden dolayı, gerilim yaprak hücrelerinden yaprak ve kök ksilemine doğru ilerler ve burada su köklerden ksilemi çekerken anlık bir negatif basınç oluşur. Yaprak yüzeyinde buharlaşma meydana geldikçe, yapışma ve kohezyon özellikleri, su moleküllerini köklerden, ksilem dokusundan ve stoma yoluyla bitkiden çekmek için birlikte çalışır. Daha uzun boylu bitkilerde ve ağaçlarda, yerçekimi kuvveti ancak bitkilerin üst kısımlarında suyun stomalardan atmosfere difüzyonu nedeniyle hidrostatik (su) basıncının azalmasıyla aşılabilir . Su, ozmoz yoluyla köklerde emilir ve çözünmüş mineral besinler onunla birlikte ksilemden geçer .

Tarih

Kılcal hareketin ilk kaydedilen gözlemi Leonardo da Vinci tarafından yapıldı . Eski bir öğrenci Galileo , Niccolò Aggiunti , kapiller aktivite incelendi söylenir. 1660'da İrlandalı kimyager Robert Boyle , kılcal bir boru suya daldırıldığında suyun "Bazı meraklı Fransız Adamların" gözlemlediğini bildirdiğinde , kılcal hareket hala bir yenilikti. . Boyle daha sonra bir kılcal tüpü kırmızı şaraba daldırdığı ve ardından tüpü kısmi vakuma maruz bıraktığı bir deney bildirdi. Vakumun, kılcal borulardaki sıvının yüksekliği üzerinde gözlemlenebilir bir etkisi olmadığını, bu nedenle kılcal borulardaki sıvıların davranışının, cıva barometrelerini yönetenlerden farklı bir fenomenden kaynaklandığını buldu.

Diğerleri yakında Boyle'un liderliğini takip etti. Bazıları (örneğin Honoré Fabri , Jacob Bernoulli ) havanın kılcal damarlara sıvılar kadar kolay giremediği için sıvıların kılcal damarlarda yükseldiğini, dolayısıyla kılcal damarların içindeki hava basıncının daha düşük olduğunu düşündüler. Diğerleri (örneğin, Isaac Vossius , Giovanni Alfonso Borelli , Louis Carré , Francis Hauksbee , Josia Weitbrecht ), sıvı parçacıklarının birbirlerine ve kılcal damar duvarlarına çekildiğini düşündüler.

18. yüzyılda deneysel çalışmalar devam etmesine rağmen, iki araştırmacı tarafından 1805 yılına kadar kılcal hareketin başarılı bir nicel tedavisine ulaşılamadı: Birleşik Krallık'tan Thomas Young ve Fransa'dan Pierre-Simon Laplace . Kılcal hareketin Young-Laplace denklemini türettiler . 1830'a gelindiğinde, Alman matematikçi Carl Friedrich Gauss , kılcal hareketi yöneten sınır koşullarını (yani sıvı-katı ara yüzeyindeki koşullar) belirlemişti. 1871'de İngiliz fizikçi William Thomson, 1. Baron Kelvin menisküsün bir sıvının buhar basıncı üzerindeki etkisini belirledi - Kelvin denklemi olarak bilinen bir ilişki . Alman fizikçi Franz Ernst Neumann (1798-1895) daha sonra iki karışmaz sıvı arasındaki etkileşimi belirledi.

Albert Einstein'ın 1900 yılında Annalen der Physik'e sunduğu ilk makalesi kapilerlik üzerineydi.

fenomenler ve fizik

Uluslararası Uzay İstasyonundaki kılcal akışları ve olayları araştırmak için kılcal akış deneyi

Gözenekli ortamdaki kılcal penetrasyon, dinamik mekanizmasını içi boş tüplerdeki akışla paylaşır, çünkü her iki işlem de viskoz kuvvetler tarafından karşılanır. Sonuç olarak, fenomeni göstermek için kullanılan yaygın bir aparat kılcal borudur . Bir cam tüpün alt ucu su gibi bir sıvıya yerleştirildiğinde içbükey bir menisküs oluşur. Sıvı ile katı iç duvar arasında, bu moleküller arası kuvvetlerin üstesinden gelmek için yerçekimi kuvvetleri için yeterli bir sıvı kütlesi olana kadar sıvı sütunu çeken bir yapışma meydana gelir . Sıvı kolonunun tepesi ile boru arasındaki temas uzunluğu (kenar etrafındaki), borunun yarıçapı ile orantılıyken, sıvı kolonunun ağırlığı borunun yarıçapının karesi ile orantılıdır. Böylece, iç su moleküllerinin dıştakilere yeterince uyum sağladığı göz önüne alındığında, dar bir tüp, daha geniş bir tüpten daha uzağa bir sıvı sütunu çekecektir.

Örnekler

Yapılı bir ortamda, buharlaşma kılcal penetrasyon olgusu sorumludur sınırlı nemli yükselen içinde beton ve duvar bu fenomen giderek alanında kullanılmaya çalışılıyor sanayi ve teşhis tıpta ise, kağıt tabanlı Mikroakiskan .

Fizyolojide, sürekli üretilen gözyaşı sıvısının gözden boşaltılması için kılcal hareket esastır . Göz kapağının iç köşesinde lakrimal kanallar olarak da adlandırılan küçük çaplı iki kanalikül bulunur ; Göz kapakları dışa dönükken gözyaşı keseleri içinde açıklıkları çıplak gözle görülebilir.

Fitilleme, bir sıvının bir mum fitili şeklinde bir malzeme tarafından emilmesidir. Kağıt havlular , bir izin, kılcal hareket ile sıvı absorbe sıvı havlu bir yüzeyden aktarılacak. Bir süngerin küçük gözenekleri, küçük kılcal damarlar gibi hareket ederek büyük miktarda sıvıyı emmesine neden olur. Bazı tekstil kumaşlarının, teri ciltten uzaklaştırmak için kılcal hareket kullandığı söylenmektedir. Bunlar genellikle mum ve lamba fitillerinin kılcal özelliklerinden sonra fitil kumaşlar olarak adlandırılır .

Kılcal etki, bir çözücünün kılcal etki yoluyla bir plaka üzerinde dikey olarak hareket ettiği ince tabaka kromatografisinde gözlenir . Bu durumda gözenekler çok küçük parçacıklar arasındaki boşluklardır.

Kılcal hareket, mürekkebi kalemin içindeki bir hazneden veya kartuştan dolma kalem uçlarının uçlarına çeker .

Cıva ve cam gibi bazı malzeme çiftlerinde , sıvı içindeki moleküller arası kuvvetler katı ve sıvı arasındaki kuvvetleri aşar, bu nedenle dışbükey bir menisküs oluşur ve kılcal hareket tersine çalışır.

Gelen hidrolojinin , kılcal hareket toprak parçacıklarına su moleküllerinin gözde tarif etmektedir. Kılcal hareket, yeraltı suyunun toprağın ıslak alanlarından kuru alanlara taşınmasından sorumludur . Toprak potansiyelindeki farklılıklar ( ) toprakta kılcal hareketi yönlendirir. ${\displaystyle \Psi _{m}}$

Kılcal hareketin pratik bir uygulaması, kılcal hareket sifonudur. İçi boş bir tüp kullanmak yerine (çoğu sifonda olduğu gibi), bu cihaz lifli bir malzemeden yapılmış bir uzunlukta kordondan oluşur (pamuk kordon veya ip iyi çalışır). İp su ile doyurulduktan sonra (ağırlıklı) bir ucu su dolu bir hazneye diğer ucu ise bir alıcı kaba yerleştirilir. Rezervuar, alıcı gemiden daha yüksek olmalıdır. Kılcal hareket ve yerçekimi nedeniyle su, rezervuardan alıcı kaba yavaş yavaş aktarılacaktır. Bu basit cihaz evde kimse olmadığında ev bitkilerini sulamak için kullanılabilir. Bu özellik ayrıca buharlı lokomotiflerin yağlanmasında da kullanılır : kamgarn yün fitiller, depolardan yataklara giden dağıtım borularına yağ çekmek için kullanılır .

Bitkilerde ve hayvanlarda

Kapiler hareket birçok bitkide görülür. Su, dallanma yoluyla ağaçlarda yükselir; basınçsızlaştırma yaratan yapraklarda buharlaşma; muhtemelen köklere eklenen ozmotik basınçla ; ve muhtemelen bitkinin içindeki diğer yerlerde, özellikle hava kökleriyle nemi toplarken .

Su alımı için kılcal hareket, Ligia egzotika ve Moloch horridus gibi bazı küçük hayvanlarda tanımlanmıştır .

Menisküs yüksekliği

Bir kapiler sıvının kılcal yükselmesi

Kapiler çapına karşı çizilen bir kapiler içindeki su yüksekliği

Bir sıvı kolonunun h yüksekliği Jurin kanunu ile verilir.

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

burada sıvı havadır yüzey gerilimi (kuvvet / birim uzunluk), θ olan temas açısı , ρ olan yoğunluğu , sıvı (kütle / hacim) arasında gr yerel yerçekimi ivmesi (zamanın kare uzunluğu / a) ve r , borunun yarıçapıdır . ${\displaystyle \scriptstyle \gama }$

Olarak R payda, içinde uzay içinde sıvı, seyahat, daha yukarıda gider daha incedir. Aynı şekilde, daha hafif sıvı ve daha düşük yerçekimi, kolonun yüksekliğini arttırır.

Standart laboratuar koşullarında, havada su dolu bir cam tüp için γ = 0.0728 N / m 20  ° C, ρ = 1000 kg / ³ , ve g = 9.81 m / s ² . Bu değerler için su sütununun yüksekliği

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

Bu nedenle, yukarıda verilen laboratuvar koşullarında 2 m (6,6 ft) yarıçaplı bir cam tüp için, su farkedilemez bir 0,007 mm (0,00028 inç) yükselir. Bununla birlikte, 2 cm (0,79 inç) yarıçaplı bir tüp için su 0,7 mm (0,028 inç) yükselir ve 0,2 mm (0,0079 inç) yarıçaplı bir tüp için su 70 mm (2,8 inç) yükselir.

İki cam plaka arasında sıvının kılcal yükselmesi

Katman kalınlığının ( d ) ve yükseklik yüksekliğinin ( h ) çarpımı sabittir ( d · h  = sabit), iki miktar ters orantılıdır . Düzlemler arasındaki sıvının yüzeyi hiperboldür .

• İki cam plaka arasında su
• 
• 
• 
• 
• 
• 

Gözenekli ortamda sıvı taşıma

5.0 mm·min ^−1/2 emiciliği ve 0.25 gözenekliliği olan bir tuğlada kılcal akış .

Kuru gözenekli bir ortam bir sıvı ile temas ettirildiğinde zamanla azalan bir oranda sıvıyı emecektir. Buharlaşma düşünüldüğünde, sıvı penetrasyonu sıcaklık, nem ve geçirgenlik parametrelerine bağlı olarak bir sınıra ulaşacaktır. Bu süreç, buharlaşma sınırlı kılcal penetrasyon olarak bilinir ve sıvının kağıt içine emilmesi ve beton veya duvar duvarlarında yükselen nemin dahil olduğu yaygın durumlarda yaygın olarak gözlenir. Bir ucu ıslanan A kesit alanına sahip çubuk şekilli bir malzeme kesiti için , t süresinden sonra emilen sıvının kümülatif hacmi V ,

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

S olduğu sorptivity m birimleri ortamın, · s ^-1/2 ya aa min ^-1/2 . Bu zamana bağımlılık ilişkisi, Washburn'ün kılcal damarlarda ve gözenekli ortamlarda fitilleme denklemine benzer . Miktar

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

uzunluk boyutuyla birlikte kümülatif sıvı alımı olarak adlandırılır. Bar ve sözde ıslatılmış ucu arasındaki mesafedir bar, ıslak uzunluğu ıslak ön fraksiyon bağlıdır f boşluklar tarafından kaplanan hacmin. Bu sayı f , ortamın gözenekliliğidir ; ıslanan uzunluk daha sonra

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

Bazı yazarlar , sorptivite olarak S/f miktarını kullanır . Yukarıdaki açıklama, yerçekimi ve buharlaşmanın bir rol oynamadığı durumlar içindir.

Sorptivite, yükselen rutubet miktarını etkilediği için yapı malzemelerinin ilgili bir özelliğidir . Yapı malzemelerinin sorptivitesi için bazı değerler aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Ayrıca bakınız

• Tahvil numarası
• bağlı su
• kılcal saçak
• kılcal basınç
• kılcal dalga
• kılcal köprüler
• Neme dayanıklı kurs
• Darcy yasası
• Don çiçekleri
• don kabarması
• Hindu süt mucizesi
• Krogh modeli
• Cıva intrüzyon porozimetrisi
• iğneli buz
• Yüzey gerilimi
• Washburn denklemi
• Suçlu
• fitil etkisi
• Young-Laplace denklemi

Referanslar

daha fazla okuma

• de Gennes, Pierre-Gilles; Brochard-Wyart, Françoise; Queré, David (2004). Kapilerlik ve Islanma Olayları . Springer New York. doi : 10.1007/978-0-387-21656-0 . ISBN'si 978-1-4419-1833-8.