Δυνάμεις σε Τριχοειδή Δράση

Το τριχοειδές φαινόμενο είναι η ικανότητα ενός υγρού να ρέει σε στενούς χώρους χωρίς τη βοήθεια ή ακόμη και σε αντίθεση με εξωτερικές δυνάμεις όπως η βαρύτητα. Μπορούμε να δούμε αυτό το αποτέλεσμα όταν το χρώμα τραβιέται ανάμεσα στις τρίχες μιας βούρτσας, σε λεπτούς σωλήνες, σε πορώδη αντικείμενα όπως χαρτί, γύψο ή ξύλο και φελλό.

Η τριχοειδής δράση προκύπτει από τη διαφορά στην ενέργεια μεταξύ μιας διεπαφής υγρού-αέρα και μιας διεπαφής υγρού-στερεού. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια της διεπιφάνειας στερεού-υγρού, τόσο μεγαλύτερη είναι η τριχοειδής δύναμη.

Αυτός είναι γνωστός ως νόμος του Laplace και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της τριχοειδούς ανόδου όταν δίνεται η γωνία επαφής.

Η γωνία επαφής είναι ένα μέτρο διαβρεξιμότητας, που ορίζεται ως η γωνία στην οποία ένα ρευστό έρχεται σε επαφή με ένα στερεό ή ένα υγρό. Μια υψηλή γωνία επαφής σημαίνει ότι θα χρειαστεί περισσότερη ενέργεια για να τραβήξει το νερό προς τα πάνω από μια χαμηλή γωνία επαφής. Για παράδειγμα, χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να τραβήξετε νερό σε μια κερωμένη χαρτοπετσέτα από ό,τι σε μια μη επεξεργασμένη.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη δράση των τριχοειδών αγγείων

Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την τριχοειδική δράση:

• Επιφανειακή τάση: Είναι η ιδιότητα που κάνει τα υγρά να συμπεριφέρονται σαν να καλύπτεται η επιφάνειά τους με ελαστικό δέρμα. Αυτό το ελαστικό «δέρμα» οφείλεται στην έλξη μεταξύ των μορίων στην επιφάνεια και εκείνων που βρίσκονται κάτω από αυτό.
• Διαβροχή: Η διαβροχή ορίζεται ως η ικανότητα ενός υγρού να ρέει σε μια στερεά επιφάνεια. Ένα υγρό που δεν απλώνεται αλλά σχηματίζει σταγόνες (όπως το λάδι) δεν θα βραχεί, ενώ αν απλωθεί στην επιφάνεια, τότε βρέχει την επιφάνεια (όπως το νερό).
• Πλήρης διαβροχή: Εάν το υγρό γεμίζει όλους τους πόρους ενός πορώδους στερεού, τότε λέμε ότι έχει συμβεί τριχοειδής δράση λόγω πλήρους διαβροχής.

Δυνάμεις που δρουν κατά την τριχοειδική δράση

Υπάρχουν τρεις δυνάμεις που εμπλέκονται κατά τη διάρκεια της τριχοειδούς δράσης.

• Οι συγκολλητικές δυνάμεις μεταξύ του υγρού και του στερεού υλικού τραβούν το υγρό στις πλευρές του σωλήνα. Η πρόσφυση είναι ισχυρότερη από τη συνοχή στις περισσότερες περιπτώσεις, έτσι ώστε το υγρό να παραμένει έξω από το σωλήνα, αλλά εξακολουθεί να υπάρχει κάποια έλξη μεταξύ των μορίων του υγρού.
• Οι συνεκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων του υγρού ωθούν τα μόρια μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν μηνίσκο. Οι δυνάμεις συνοχής είναι ισχυρότερες από τις συγκολλητικές δυνάμεις, έτσι ώστε τα μόρια στο κάτω μέρος του σωλήνα να έλκονται προς τα πάνω. Αυτό δημιουργεί έναν κοίλο μηνίσκο που καμπυλώνεται προς τα πάνω και από τις δύο πλευρές του σωλήνα.
• Ο τρίτος παράγοντας που επηρεάζει τη δράση των τριχοειδών είναι η επιφανειακή τάση. Αυτό είναι ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν τα υγρά μόρια τοποθετούνται σε μια επίπεδη μεμβράνη για να ελαχιστοποιήσουν την επαφή τους με άλλα υλικά ή αέρα.

Πώς επηρεάζουν αυτές οι δυνάμεις την τριχοειδική δράση;

Ο βασικός μηχανισμός της τριχοειδούς δράσης μπορεί να γίνει κατανοητός σε μακροσκοπικό επίπεδο ως εξής:όταν η επιφάνεια ενός υγρού έρχεται σε επαφή με ένα στερεό όριο, έλκεται από αυτό το όριο. Για παράδειγμα, εάν παίρνατε έναν γυάλινο σωλήνα και τον τοποθετούσατε σε νερό με το ένα άκρο πάνω από την ίσαλο γραμμή και το άλλο κάτω, το νερό θα έτεινε να προσκολλάται στα τοιχώματα του γυάλινου σωλήνα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι δυνάμεις συνοχής στο νερό είναι μεγαλύτερες από τις συγκολλητικές δυνάμεις μεταξύ νερού και γυαλιού.

Αυτό το αποτέλεσμα λειτουργεί για κάθε τύπο υγρού, με διαφορετικούς τύπους υγρών που παρουσιάζουν διαφορετικά μέγιστα ύψη τριχοειδούς δράσης. Για παράδειγμα, ο υδράργυρος έχει υψηλότερο μέγιστο ύψος από το νερό, επειδή έχει ασθενέστερη πρόσφυση σε υλικά όπως το γυαλί από το νερό, αλλά ισχυρότερη συνοχή μεταξύ των δικών του σωματιδίων (λόγω της υψηλότερης πυκνότητάς του).

Η τριχοειδική δράση συμβαίνει λόγω των διαφορών στη συνοχή και την πρόσφυση μεταξύ δύο ουσιών. Το νερό, για παράδειγμα, έχει ισχυρές συνεκτικές ιδιότητες—δηλαδή κολλάει καλά στον εαυτό του—αλλά έχει επίσης ισχυρές συγκολλητικές ιδιότητες με άλλες ουσίες όπως το γυαλί. Η συνοχή είναι μικρότερη όταν το νερό συναντά τον αέρα στην κορυφή ενός σωλήνα. Η πρόσφυση είναι μικρότερη όταν το νερό συναντά άλλο υγρό. Αυτή η διαφορά δημιουργεί τάση στην επιφάνεια ενός υγρού όπως το νερό και αυτή η τάση του επιτρέπει να κινείται ενάντια στη βαρύτητα σε στενούς χώρους.

Συμπέρασμα

Η τριχοειδική δράση οφείλεται στην επιφανειακή τάση. Η επιφανειακή τάση είναι παρούσα σε όλα τα υγρά. προκαλείται από ελκτικές δυνάμεις μεταξύ μορίων στην επιφάνεια του υγρού. Τα μόρια στη διεπιφάνεια δεν έχουν μόρια πάνω τους και έχουν ασθενέστερη έλξη σε μόρια που βρίσκονται αμέσως δίπλα τους.

Η τριχοειδής δράση συμβαίνει όταν τα μόρια στην επιφάνεια ενός υγρού έλκονται από εκείνα σε ένα παρακείμενο υλικό. Τα μόρια του νερού έλκονται από άλλα μόρια νερού. αυτή η δύναμη συνοχής είναι ισχυρότερη από τη συγκολλητική δύναμη που δεσμεύει το νερό σε γυάλινες ή πλαστικές επιφάνειες. Αλλά όταν το νερό συναντά ένα στενό κανάλι με συμπαγή τοιχώματα —όπως ένας λεπτός σωλήνας— η συνοχή και η πρόσφυση συνεργάζονται για να τραβήξουν το νερό προς τα πάνω μέσω τριχοειδούς δράσης.