Jika Anda suka minum koktail atau minuman lain dari sedotan, Anda mungkin memperhatikan bahwa ketika salah satu ujungnya diturunkan ke dalam cairan, tingkat minuman di dalamnya sedikit lebih tinggi daripada di cangkir atau gelas. Mengapa ini terjadi? Biasanya orang tidak memikirkannya. Tetapi fisikawan telah lama dapat mempelajari fenomena seperti itu dengan baik dan bahkan memberi mereka nama mereka sendiri - fenomena kapiler. Sekarang giliran kita untuk mencari tahu mengapa ini terjadi dan bagaimana fenomena ini dijelaskan.

Mengapa kapiler terjadi?

Di alam, segala sesuatu yang terjadi memiliki penjelasan yang masuk akal. Jika cairan itu membasahi (misalnya, air dalam tabung plastik), ia akan naik ke atas tabung, dan jika tidak membasahi (misalnya, merkuri dalam botol kaca), maka ia akan turun. Apalagi semakin kecil jari-jari kapiler seperti itu, semakin tinggi cairan akan naik atau turun. Apa yang menjelaskan fenomena kapiler seperti itu? Fisika mengatakan bahwa mereka terjadi sebagai akibat dari aksi gaya.Jika Anda melihat lebih dekat pada lapisan permukaan cairan dalam kapiler, Anda akan melihat bahwa bentuknya adalah semacam lingkaran. Sepanjang perbatasannya di dinding tubulus memberikan apa yang disebut tegangan permukaan. Selain itu, untuk cairan yang membasahi, vektor arahnya diarahkan ke bawah, dan untuk cairan yang tidak membasahi, arahnya ke atas.

Menurut yang ketiga, itu pasti menyebabkan tekanan yang berlawanan sama dengan itu dalam modulus. Hal inilah yang menyebabkan cairan naik atau turun dalam tabung sempit. Ini menjelaskan semua jenis fenomena kapiler. Namun, yang pasti, banyak yang sudah memiliki pertanyaan logis: "Dan kapan naik atau turunnya cairan berhenti?" Ini akan terjadi ketika gaya gravitasi, atau gaya Archimedes, menyeimbangkan gaya yang membuat cairan bergerak di sepanjang tabung.

Bagaimana fenomena kapiler dapat digunakan?

Salah satu penerapan fenomena ini, yang telah menyebar luas dalam produksi alat tulis, sudah tidak asing lagi bagi hampir setiap siswa atau siswa. Anda mungkin sudah menebak apa yang kita bicarakan

Perangkatnya memungkinkan Anda untuk menulis di hampir semua posisi, dan tanda tipis dan jelas di atas kertas telah lama membuat subjek ini sangat populer di kalangan persaudaraan menulis. juga banyak digunakan dalam pertanian untuk mengontrol gerakan dan mempertahankan kelembaban di dalam tanah. Seperti yang Anda ketahui, tanah tempat tanaman ditanam memiliki struktur yang longgar, di mana ada celah sempit di antara partikel individunya. Faktanya, itu tidak lain adalah kapiler. Melalui mereka, air memasuki sistem akar dan memberi tanaman kelembaban yang diperlukan dan garam yang bermanfaat. Namun, air tanah juga naik di sepanjang jalur ini dan menguap agak cepat. Untuk mencegah proses ini, kapiler harus dihancurkan. Hanya untuk ini, pelonggaran tanah dilakukan. Dan terkadang situasi sebaliknya muncul ketika perlu untuk meningkatkan pergerakan air melalui kapiler. Dalam hal ini, tanah digulung, dan karena ini, jumlah saluran sempit meningkat. Dalam kehidupan sehari-hari, fenomena kapiler digunakan dalam berbagai keadaan. Penggunaan kertas isap, handuk dan serbet, penggunaan sumbu dalam dan dalam teknologi - semua ini dimungkinkan karena adanya saluran sempit yang panjang dalam komposisinya.

MOU "Lyceum No. 43"

(alami-teknis)

FENOMENA KAPILAR
Rozhkov Dmitry

Saransk

2013
Daftar Isi

Tinjauan literatur 3

Sifat cairan. Tegangan permukaan 3

Pengalaman Dataran Tinggi 6

Fenomena pembasahan dan tidak pembasahan. Sudut tepi. 7

Fenomena kapiler di alam dan teknologi 8

Pembuluh darah 10

Busa dalam pelayanan pria 11

Bagian praktis 11

"Studi tentang sifat kapiler dari berbagai sampel kertas berpori" 11

Temuan dan Kesimpulan 13

Referensi 13

Tinjauan Literatur

Fenomena kapiler adalah fenomena fisik yang disebabkan oleh tegangan permukaan pada antarmuka media yang tidak saling bercampur. Fenomena tersebut biasanya termasuk fenomena dalam media cair yang disebabkan oleh kelengkungan permukaannya, yang berbatasan dengan cairan lain, gas, atau uapnya sendiri.

Fenomena kapiler mencakup berbagai kasus keseimbangan dan pergerakan permukaan cairan di bawah aksi gaya interaksi antarmolekul dan gaya eksternal (terutama gravitasi). Dalam kasus yang paling sederhana, ketika kekuatan eksternal tidak ada atau dikompensasikan, permukaan cairan selalu melengkung. Jadi, di bawah kondisi tanpa bobot, volume cairan terbatas yang tidak bersentuhan dengan benda lain berbentuk bola di bawah pengaruh tegangan permukaan. Bentuk ini sesuai dengan keseimbangan stabil cairan, karena bola memiliki permukaan minimum untuk volume tertentu dan, oleh karena itu, energi permukaan cairan dalam hal ini minimal. Cairan tersebut berbentuk bola bahkan jika berada dalam cairan lain dengan kepadatan yang sama (aksi gravitasi dikompensasi oleh gaya apung Archimedean).

Sifat-sifat sistem yang terdiri dari banyak tetesan kecil atau gelembung (emulsi, aerosol cair, busa) dan kondisi pembentukannya sangat ditentukan oleh kelengkungan permukaan partikel, yaitu fenomena kapiler. Fenomena kapiler memainkan peran yang sama pentingnya dalam pembentukan fase baru: tetesan cairan selama kondensasi uap, gelembung uap selama cairan mendidih, dan inti fase padat selama kristalisasi.

Ketika cairan kontak padatan, bentuk permukaannya secara signifikan dipengaruhi oleh fenomena pembasahan karena interaksi molekul cair dan padat.

Penyerapan kapiler memainkan peran penting dalam pasokan air tanaman, pergerakan kelembaban di tanah dan badan berpori lainnya. Impregnasi kapiler dari berbagai bahan banyak digunakan dalam proses teknik kimia.

Kelengkungan permukaan bebas cairan di bawah aksi gaya eksternal menyebabkan adanya apa yang disebut gelombang kapiler ("riak" pada permukaan cairan). Fenomena kapiler selama gerakan antarmuka cairan dianggap oleh hidrodinamika fisikokimia.

Fenomena kapiler pertama kali ditemukan dan dipelajari oleh Leonardo da Vinci, B. Pascal (abad ke-17) dan J. Zhuren (Dzhurin, abad ke-18) dalam eksperimen dengan tabung kapiler. Teori fenomena kapiler dikembangkan dalam karya P. Laplace (1806), T. Young (Young, 1805), J.W. Gibbs (1875) dan I.S. Gromeki (1879, 1886).

Sifat cairan. Tegangan permukaan

Molekul suatu zat dalam keadaan cair terletak hampir berdekatan satu sama lain. Tidak seperti benda kristal padat, di mana molekul membentuk struktur teratur di seluruh volume kristal dan dapat melakukan getaran termal di sekitar pusat tetap, molekul cair memiliki kebebasan yang lebih besar. Setiap molekul cairan, serta dalam benda padat, "dijepit" di semua sisi oleh molekul tetangga dan melakukan getaran termal di sekitar posisi kesetimbangan tertentu. Namun, dari waktu ke waktu, setiap molekul dapat berpindah ke tempat kosong yang berdekatan. Lompatan cairan seperti itu cukup sering terjadi; oleh karena itu, molekul tidak terikat pada pusat tertentu, seperti dalam kristal, dan dapat bergerak di seluruh volume cairan. Ini menjelaskan fluiditas cairan. Karena interaksi yang kuat antara molekul yang berjarak dekat, mereka dapat membentuk kelompok terurut lokal (tidak stabil) yang mengandung beberapa molekul. Fenomena ini disebut orde jarak pendek (Gbr. 1).

Karena pengemasan molekul yang padat, kompresibilitas cairan, yaitu, perubahan volume dengan perubahan tekanan, sangat kecil; itu adalah puluhan dan ratusan ribu kali lebih sedikit daripada di gas.

Cairan, seperti padatan, berubah volumenya dengan perubahan suhu. Untuk rentang suhu yang tidak terlalu besar, perubahan relatif volume V / V0 sebanding dengan perubahan suhu T:

Koefisien disebut koefisien temperatur pemuaian volume. Ekspansi termal air memiliki anomali yang menarik dan penting bagi kehidupan di Bumi. Pada suhu di bawah 4°C, air memuai. Massa jenis maksimum in = 10 3 kg / m 3 air memiliki suhu 4 ° C.

Ketika air membeku, ia mengembang, sehingga es tetap mengambang di permukaan badan air yang membeku. Suhu air yang membeku di bawah es adalah 0°C. Di lapisan air yang lebih padat, di dekat bagian bawah reservoir, suhunya sekitar 4 °C. Karena ini, kehidupan bisa eksis di air waduk yang membeku.

Fitur yang paling menarik dari cairan adalah adanya permukaan bebas. Cairan, tidak seperti gas, tidak mengisi seluruh volume bejana tempat ia dituangkan. Sebuah antarmuka terbentuk antara cairan dan gas (atau uap), yang berada dalam kondisi khusus dibandingkan dengan sisa massa cairan. Molekul-molekul di lapisan batas cairan, berbeda dengan molekul di kedalamannya, tidak dikelilingi oleh molekul lain dari cairan yang sama dari semua sisi. Gaya interaksi antarmolekul yang bekerja pada salah satu molekul di dalam cairan dari molekul tetangga, rata-rata, saling mengimbangi. Setiap molekul di lapisan batas ditarik oleh molekul di dalam cairan (gaya yang bekerja pada molekul cairan tertentu dari molekul gas (atau uap) dapat diabaikan). Akibatnya, beberapa gaya yang dihasilkan muncul, diarahkan jauh ke dalam cairan (Gbr. 2)

Gbr.2

Jika molekul bergerak dari permukaan ke dalam cairan, gaya interaksi antarmolekul akan melakukan kerja positif. Sebaliknya, untuk menarik sejumlah molekul tertentu dari kedalaman cairan ke permukaan (yaitu, untuk meningkatkan luas permukaan cairan), perlu untuk mengeluarkan kerja positif dari gaya eksternal A ext, sebanding dengan perubahan S luas permukaan:
A luar = S
Koefisien disebut koefisien tegangan permukaan (σ > 0). Dengan demikian, koefisien tegangan permukaan sama dengan kerja yang diperlukan untuk meningkatkan luas permukaan cairan pada suhu konstan sebesar satu unit.

Dalam SI, koefisien tegangan permukaan diukur dalam joule per meter persegi (J / m 2) atau dalam newton per meter (1 N / m \u003d 1 J / m 2).

Akibatnya, molekul-molekul lapisan permukaan cairan memiliki energi potensial yang lebih besar dibandingkan dengan molekul-molekul di dalam cairan. Energi potensial E p permukaan cairan sebanding dengan luasnya:
E p = A luar = S
Dari mekanika diketahui bahwa keadaan kesetimbangan suatu sistem sesuai dengan nilai minimum energi potensialnya. Oleh karena itu, permukaan bebas cairan cenderung mengurangi luasnya. Untuk alasan ini, setetes cairan bebas mengambil bentuk bola (Gbr. 3)
.

Gbr.3
Fluida berperilaku seolah-olah gaya bekerja secara tangensial ke permukaannya, mengurangi (mengerutkan) permukaan ini. Gaya-gaya ini disebut gaya tegangan permukaan.

Adanya gaya tegangan permukaan membuat permukaan cairan terlihat seperti film elastis yang diregangkan, dengan satu-satunya perbedaan bahwa gaya elastis dalam film bergantung pada luas permukaannya (yaitu, pada bagaimana film dideformasi), dan gaya tegangan permukaan melakukannya tidak tergantung pada luas permukaan cairan.

Karena setiap sistem secara spontan masuk ke keadaan di mana energi potensialnya minimal, cairan harus secara spontan masuk ke keadaan di mana luas permukaan bebasnya memiliki nilai terkecil. Hal ini dapat ditunjukkan dengan menggunakan percobaan berikut.

Pada kawat yang ditekuk dalam bentuk huruf P, bagian melintang yang dapat digerakkan diperkuat (Gbr. 4). Bingkai yang diperoleh dengan cara ini dikencangkan dengan film sabun, menurunkan bingkai menjadi larutan sabun. Setelah melepaskan bingkai dari larutan, palang bergerak ke atas, mis., Gaya molekuler benar-benar mengurangi luas permukaan bebas cairan.

Gbr.4
Karena bola memiliki luas permukaan terkecil untuk volume yang sama, cairan dalam keadaan tanpa bobot berbentuk bola. Untuk alasan yang sama, tetesan kecil cairan berbentuk bulat. Bentuk film sabun pada berbagai kerangka selalu sesuai dengan luas permukaan bebas terkecil dari cairan.

Pengalaman Dataran Tinggi

Bentuk alami dari cairan apa pun adalah bola. Biasanya, gravitasi mencegah cairan mengambil bentuk ini, dan cairan menyebar di lapisan tipis jika tidak ada bejana, atau mengambil bentuk bejana. Berada di dalam cairan lain dengan kerapatan yang sama, cairan tersebut mengambil bentuk bulat alami.

Gbr.5
Minyak zaitun mengapung di air tetapi tenggelam dalam alkohol. Anda dapat menyiapkan campuran air dan alkohol di mana minyak akan berada dalam kesetimbangan. Mari kita masukkan sedikit minyak zaitun ke dalam campuran ini menggunakan tabung gelas atau jarum suntik: minyak akan terkumpul menjadi satu tetes bulat, yang akan menggantung tak bergerak di dalam cairan. Jika Anda melewatkan kawat melalui bagian tengah bola minyak dan memutarnya, bola minyak mulai rata, dan kemudian, setelah beberapa detik, cincin tetesan minyak bulat kecil terpisah darinya. Eksperimen ini pertama kali dilakukan oleh fisikawan Dataran Tinggi Belgia.

Dalam skala raksasa, fenomena seperti itu dapat diamati di bintang Matahari dan planet-planet raksasa kita. Benda-benda langit ini berputar di sekitar porosnya dengan sangat cepat. Sebagai hasil dari rotasi ini, benda-benda tersebut dikompresi dengan sangat kuat di kutub.

Gbr.6

Fenomena pembasahan dan tidak pembasahan. Sudut tepi.

Pembasahan dan tidak pembasahan - fenomena kapiler tersebar luas di alam dan teknologi. Mereka penting baik dalam kehidupan sehari-hari dan untuk memecahkan masalah ilmiah dan teknis yang paling penting. Pengetahuan tentang masalah ini memungkinkan Anda menjawab banyak pertanyaan. Misalnya, bahwa fenomena kapiler memungkinkan nutrisi dan kelembaban diserap dari tanah oleh sistem akar vegetasi, bahwa sirkulasi darah pada organisme hidup didasarkan pada fenomena kapiler, apa flotasi itu dan di mana penerapannya, mengapa beberapa padatan ada. dibasahi dengan baik oleh cairan, yang lain buruk, dll. .

Jika Anda menurunkan batang kaca ke dalam merkuri dan kemudian mengeluarkannya, tidak akan ada merkuri di atasnya. Jika tongkat ini diturunkan ke dalam air, maka setelah ditarik keluar, setetes air akan tetap berada di ujungnya. Pengalaman ini menunjukkan bahwa molekul merkuri tertarik satu sama lain lebih kuat daripada molekul kaca, dan molekul air tertarik satu sama lain lebih sedikit daripada molekul kaca.

Jika molekul-molekul cairan tertarik satu sama lain lebih lemah daripada molekul-molekul padat, maka cairan itu disebut membasahi zat ini. Misalnya, air membasahi gelas bersih dan tidak membasahi parafin. Jika molekul-molekul cairan tertarik satu sama lain lebih kuat daripada molekul-molekul padat, maka cairan itu disebut zat ini tidak membasahi. Merkuri tidak membasahi kaca, tetapi membasahi tembaga dan seng murni.

Mari kita letakkan pelat datar horizontal dari beberapa zat padat dan jatuhkan cairan uji ke atasnya. Kemudian drop akan ditempatkan baik seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7( sebuah), atau seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7( b).

a) b)

Gbr.7.
Dalam kasus pertama, cairan membasahi padatan, sedangkan yang kedua tidak. Sudut yang ditunjukkan pada Gambar 5 disebut sudut kontak. Sudut kontak dibentuk oleh permukaan datar dari benda padat dan bidang yang bersinggungan dengan permukaan bebas cairan, di mana benda padat, cairan dan gas berbatasan; selalu ada cairan di dalam sudut kontak. Untuk cairan yang membasahi, sudut kontaknya lancip, dan untuk cairan yang tidak membasahi, sudutnya tumpul. Agar aksi gravitasi tidak mendistorsi sudut kontak, penurunan harus diambil sekecil mungkin.

Karena sudut kontak dipertahankan pada posisi vertikal permukaan padat, cairan yang membasahi di tepi bejana di mana ia dituangkan naik, dan cairan yang tidak membasahi jatuh.

Dengan pembasahan sempurna, = 0, cos = 1.

Gbr.8

Fenomena kapiler di alam dan teknologi

Kenaikan cairan dalam kapiler berlanjut sampai gaya gravitasi yang bekerja pada kolom cairan dalam kapiler menjadi sama dalam modulus dengan F n yang dihasilkan dari gaya tegangan permukaan yang bekerja sepanjang batas kontak antara cairan dan permukaan kapiler: F t = F n, di mana F t = mg = hπr 2 g, F n = 2πr cos .

Ini menyiratkan:

Kelengkungan permukaan cairan dalam tabung sempit mengarah pada pelanggaran nyata terhadap hukum kapal yang berkomunikasi.

Dapat dilihat dari rumus bahwa tinggi h semakin besar, semakin kecil jari-jari bagian dalam tabung r. Kenaikan air memiliki nilai yang signifikan dalam tabung, diameter bagian dalam yang sepadan dengan diameter rambut (atau bahkan kurang); oleh karena itu, tabung semacam itu disebut kapiler (dari bahasa Yunani "capillaris" - rambut, tipis). Cairan yang membasahi kapiler naik (Gbr. 9, a), dan cairan yang tidak membasahi turun (Gbr. 9, b).

Gbr.9


Fenomena kapiler dapat diamati tidak hanya di tabung, tetapi juga di celah sempit. Jika Anda menurunkan dua pelat kaca ke dalam air sehingga celah sempit terbentuk di antara keduanya, maka air di antara pelat akan naik, dan semakin tinggi semakin dekat letaknya. Fenomena kapiler memainkan peran penting dalam alam dan teknologi. Banyak kapiler kecil ditemukan pada tumbuhan. Di pohon, uap air dari tanah naik melalui kapiler ke puncak pohon, di mana ia menguap melalui daun ke atmosfer. Ada kapiler di tanah, yang lebih sempit, semakin padat tanah. Air melalui kapiler ini naik ke permukaan dan dengan cepat menguap, dan bumi menjadi kering. Pembajakan awal musim semi menghancurkan kapiler, yaitu, mempertahankan kelembaban lapisan tanah dan meningkatkan hasil.

Dalam teknologi, fenomena kapiler sangat penting, misalnya, dalam proses pengeringan badan berpori kapiler, dll. Fenomena kapiler sangat penting dalam bisnis konstruksi. Misalnya, agar dinding bata tidak lembab, antara fondasi rumah dan dinding dibuat paking dari bahan yang tidak memiliki kapiler. Dalam industri kertas, kapilaritas harus diperhitungkan ketika membuat berbagai nilai kertas. Misalnya, dalam pembuatan kertas tulis, diresapi dengan senyawa khusus yang menyumbat kapiler. Dalam kehidupan sehari-hari, fenomena kapiler digunakan dalam sumbu, kertas isap, pena untuk memasok tinta, dll.

Sebagian besar jaringan tumbuhan dan hewan diresapi dengan sejumlah besar pembuluh kapiler. Di kapiler inilah proses utama yang terkait dengan respirasi dan nutrisi tubuh terjadi, semua kimia kehidupan yang paling kompleks terkait erat dengan fenomena difusi. Batang pohon, cabang dan batang tanaman ditembus oleh sejumlah besar tabung kapiler, di mana nutrisi naik ke daun paling atas. Sistem akar tanaman berakhir dengan filamen-kapiler tertipis. Dan tanah itu sendiri, sumber nutrisi untuk akar, dapat direpresentasikan sebagai satu set pipa kapiler, di mana, tergantung pada struktur dan pemrosesan, air dengan zat terlarut di dalamnya naik lebih cepat atau lebih lambat ke permukaan. Tinggi naiknya zat cair dalam kapiler semakin besar, semakin kecil diameternya. Dari sini jelas bahwa untuk menjaga kelembaban, perlu untuk menggali tanah, dan untuk mengeringkannya, perlu untuk memadatkannya.

Peran fenomena permukaan di alam sangat bervariasi. Misalnya, lapisan permukaan air merupakan penopang bagi banyak organisme saat bergerak. Bentuk gerakan ini ditemukan pada serangga kecil dan arakhnida. Pendarat air yang paling terkenal beristirahat di air hanya dengan segmen ujung kaki yang berjarak jauh. Kaki, ditutupi dengan lapisan lilin, tidak dibasahi oleh air, lapisan permukaan air melorot di bawah tekanan kaki, membentuk lekukan kecil. Beberapa spesies laba-laba pantai bergerak dengan cara yang sama, tetapi kakinya tidak sejajar dengan permukaan air, seperti pada water strider, tetapi tegak lurus dengan permukaan air.

Beberapa hewan yang hidup di air, tetapi tidak memiliki insang, digantung dari bawah ke lapisan permukaan air dengan bantuan bulu yang tidak dapat dibasahi yang mengelilingi organ pernapasan mereka. Teknik ini digunakan oleh jentik nyamuk (termasuk yang malaria).

Bulu dan bulu unggas air selalu banyak diolesi dengan sekresi lemak kelenjar khusus, yang menjelaskan impermeabilitasnya. Lapisan udara tebal yang tertutup di antara bulu bebek dan tidak dipindahkan oleh air tidak hanya melindungi bebek dari kehilangan panas, tetapi juga sangat meningkatkan daya apung, bertindak seperti sabuk pengaman.

Lapisan lilin pada daun mencegah banjir yang disebut stomata, yang dapat menyebabkan pelanggaran respirasi tanaman yang tepat. Kehadiran lapisan lilin yang sama menjelaskan ketahanan air dari atap jerami, tumpukan jerami, dll.

Organ utama yang memakan kelembaban, di mana air selalu dibutuhkan, termasuk untuk fotosintesis, adalah daun yang terletak jauh dari akar. Selain itu, daun dikelilingi oleh udara, yang sering "mengambil" air darinya untuk "menjenuhkan" dengan uap air. Kontradiksi muncul: daun terus-menerus membutuhkan air, tetapi selalu kehilangannya, dan akarnya selalu kelebihan air, meskipun tidak menolak untuk membuangnya. Solusi untuk masalah ini jelas: Anda perlu memompa kelebihan air dari akar ke daun. Peran sistem pasokan air seperti itu diambil alih oleh batang. Ini memberikan air ke daun melalui tabung khusus - kapiler. Dalam angiospermae, mereka adalah pembuluh berongga yang paling sempurna dan panjang (dalam pertumbuhan tanaman itu sendiri), yang dindingnya dilapisi dengan selulosa dan lignin. Sistem pembuluh konduktif tersebut disebut xilem (dari bahasa Yunani xylon - kayu, balok kayu).

Jika dalam lumen pembuluh xilem akar, zat mineral terkonsentrasi yang diserap akar dari tanah, air mengalir ke xilem dari sel-sel akar di sekitarnya melalui mekanisme osmosis.

Mekanisme "pompa air" terdiri dari dua pompa osmotik dan gaya kapiler dinding pembuluh.

Pembuluh darah

Seluruh tubuh ditusuk oleh pembuluh darah. Mereka berbeda dalam struktur. Arteri adalah pembuluh yang membawa darah keluar dari jantung. Mereka memiliki dinding elastis elastis padat, yang meliputi otot polos. Saat jantung berkontraksi, jantung mengeluarkan darah dengan tekanan tinggi ke dalam arteri. Karena kepadatan dan elastisitas dinding arteri menahan tekanan dan peregangan ini.

Arteri besar bercabang saat mereka menjauh dari jantung. Arteri terkecil pecah menjadi kapiler tertipis. Dindingnya dibentuk oleh satu lapisan sel datar. Melalui dinding kapiler, zat terlarut dalam plasma darah masuk ke dalam cairan jaringan, dan dari itu masuk ke dalam sel. Produk limbah sel menembus dinding kapiler dari cairan jaringan ke dalam darah. Ada sekitar 150 miliar kapiler dalam tubuh manusia. Jika semua kapiler ditarik dalam satu garis, maka ia dapat mengelilingi dunia di sepanjang khatulistiwa dua setengah kali. Darah dari kapiler terkumpul di vena - pembuluh darah yang mengalirkan darah ke jantung. Tekanan di vena kecil, dindingnya lebih tipis dari dinding arteri.

Busa dalam pelayanan manusia

Bukan teori yang mengarah pada gagasan flotasi, tetapi pengamatan yang cermat terhadap fakta acak. Pada akhir abad XIX. Guru Amerika Curry Everson, mencuci tas berminyak tempat pirit tembaga disimpan, menarik perhatian pada fakta bahwa butir pirit mengapung dengan busa sabun. Ini adalah dorongan untuk pengembangan metode flotasi. Metode ini banyak digunakan di industri pertambangan dan metalurgi untuk dressing bijih, i. untuk meningkatkan kandungan relatif komponen berharga di dalamnya. Inti dari flotasi adalah sebagai berikut. Bijih yang digiling halus dimasukkan ke dalam tong berisi air dan zat berminyak, yang mampu menyelimuti partikel mineral yang berguna dengan lapisan tertipis yang tidak dibasahi oleh air. Campuran dicampur dengan kuat dengan udara, sehingga banyak gelembung kecil terbentuk - busa. Pada saat yang sama, partikel-partikel mineral yang berguna, mengenakan lapisan tipis berminyak, ketika bersentuhan dengan cangkang gelembung udara, menempel padanya, menggantung pada gelembung dan terbawa dengannya, seperti pada balon. Partikel batuan sisa, yang tidak diselimuti oleh zat berminyak, tidak menempel pada cangkang dan tetap berada dalam cairan. Akibatnya, hampir semua partikel mineral yang berguna berakhir dengan busa di permukaan cairan. Busa dikeluarkan dan dikirim untuk diproses lebih lanjut - untuk mendapatkan apa yang disebut konsentrat .

Teknik flotasi memungkinkan, dengan pemilihan cairan campuran yang tepat, untuk memisahkan mineral berguna yang diperlukan dari batuan sisa dari komposisi apa pun.

Bagian praktis

"Studi sifat kapiler berbagai sampel kertas berpori"

Objektif: untuk mempelajari sifat kapiler dari berbagai sampel kertas berpori (misalnya, serbet kertas dari produsen yang berbeda).

Perangkat dan bahan: sampel kertas, air suling, penggaris, bak mandi.

Metode eksekusi:

Nama pabrikan			Perkiraan radius kapiler, 10 -5 m
	2,25 2,3	2,25	0,6621	4
LLC "BRIZ", Novorossiysk	1,8 1,75	1,78	0,837	3
	1,3 1,25	1,32	1,1286	2
	2,5 2,1	2,26	0,6592	4

Saya mengulangi percobaan, mengganti air dengan susu.

Susu 2,5%;

Dalam perhitungan saya menggunakan nilai tabel berikut:

- kepadatan susu (1,03x10 3 kg / m 3);

- tegangan permukaan (untuk susu di perbatasan dengan udara  = 46x10 -3 N/m)

Nama pabrikan	Tinggi pengangkatan cairan, 10 -2 m	Nilai rata-rata tinggi naik cairan, 10 -2 m	Perkiraan radius kapiler, 10 -3 m	Evaluasi kualitas penyerapan air menurut sistem 4 titik
OOO Russian Paper SEMUA Produk, Bryansk	1,1 1,1	1,09	0,836	4
LLC "BRIZ", Novorossiysk	0,8 0,55	0,64	1,424	3
LLC Teknologi Baru, Krasnodar	0,3 0,38	0,31	2,94	2
IP Kitaikin A.B. Novoshakhtinsk, wilayah Rostov	0,98 1,0	0,97	0,94	4

Temuan dan Kesimpulan

1. 
   Sebagai hasil dari pekerjaan yang dilakukan, diperoleh penilaian objektif tentang kualitas serbet kertas dari berbagai produsen.
2. 
   Hasil terbaik ditunjukkan oleh sampel pabrikan berikut: LLC Russian Paper ALL Products, Bryansk dan IP Kitaikin A.B. Novoshakhtinsk, wilayah Rostov
3. 
   Yang terburuk adalah serbet New Technologies LLC, Krasnodar, yang dibuat untuk rantai toko Magnit.
4. 
   Serbet terbaik dapat direkomendasikan untuk digunakan di ruang makan Lyceum No. 43.

Daftar bibliografi

1. 
   Ensiklopedia fisik. http://enc-dic.com/enc_physics/Kapilljarne-javlenija-911.html
2. 
   Sifat cairan http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=161&Itemid=72#q3
3. 
   fenomena kapiler. http://seaniv2006.narod.ru/1191.html (03.12.12)

Fenomena kapiler, fenomena permukaan pada batas cairan dengan media lain, terkait dengan kelengkungan permukaannya. Kelengkungan permukaan cairan pada batas dengan fase gas terjadi sebagai akibat dari aksi tegangan permukaan cairan, yang cenderung mengurangi antarmuka dan memberikan volume terbatas cairan bentuk bola. Karena bola memiliki luas permukaan minimum untuk volume tertentu, bentuk ini sesuai dengan energi permukaan minimum cairan, yaitu. keadaan keseimbangannya yang stabil. Dalam kasus massa cairan yang cukup besar, efek tegangan permukaan dikompensasi oleh gravitasi, sehingga cairan dengan viskositas rendah dengan cepat mengambil bentuk bejana di mana ia dituangkan, dan itu bebas. permukaan tampak hampir rata.

Dengan tidak adanya gravitasi atau dalam kasus massa yang sangat kecil, cairan selalu berbentuk bola (jatuh), kelengkungan permukaan yang menentukan banyak faktor. sifat-sifat suatu zat. Oleh karena itu, fenomena kapiler diucapkan dan memainkan peran penting dalam kondisi tanpa bobot, selama penghancuran cairan dalam media gas (atau penyemprotan gas ke dalam cairan) dan pembentukan sistem yang terdiri dari banyak tetes atau gelembung (emulsi, aerosol , busa), selama munculnya fase baru tetesan cairan selama kondensasi uap, gelembung uap selama perebusan, inti kristalisasi. Ketika cairan bersentuhan dengan benda terkondensasi (cairan lain atau padatan), kelengkungan antarmuka terjadi sebagai akibat dari aksi tegangan antarmuka.

Dalam kasus pembasahan, misalnya, ketika cairan bersentuhan dengan dinding padat bejana, gaya tarik menarik yang bekerja antara molekul padatan dan cairan menyebabkannya naik di sepanjang dinding bejana, sebagai akibatnya bagian permukaan cairan yang berdekatan dengan dinding berbentuk cekung. Dalam saluran sempit, misalnya, kapiler silindris, meniskus cekung terbentuk - permukaan cairan yang sepenuhnya melengkung (Gbr. 1).

Beras. 1. Elevasi kapiler h cairan membasahi dinding kapiler berjari-jari r; q - sudut kontak pembasahan.

tekanan kapiler.

Karena gaya tegangan permukaan (antarmuka) diarahkan secara tangensial ke permukaan cairan, kelengkungan yang terakhir mengarah pada munculnya komponen yang diarahkan ke dalam volume cairan. Akibatnya, tekanan kapiler muncul, yang nilainya Dp terkait dengan jari-jari kelengkungan rata-rata permukaan r 0 dengan persamaan Laplace:

dp = p 1 - p 2 \u003d 2s 12 / r 0, (1)

dimana p 1 dan p 2 - tekanan dalam cairan 1 dan fase 2 tetangga (gas atau cairan), s 12 - tegangan permukaan (antarmuka).

Jika permukaan zat cair cekung (r 0< 0), давление в ней оказывается пониженным по сравнению с давлением в соседней фазе p 1 < р 2 и Dp < 0. Для выпуклых поверхностей (r 0 >0) tanda Dp dibalik. Tekanan kapiler negatif yang terjadi ketika dinding kapiler dibasahi oleh cairan mengarah pada fakta bahwa cairan akan tersedot ke dalam kapiler sampai berat kolom cairan tinggi. h tidak akan menyeimbangkan penurunan tekanan Dp. Dalam keadaan setimbang, ketinggian kenaikan kapiler ditentukan oleh rumus Jurin:

di mana r 1 dan r 2 adalah massa jenis cairan 1 dan medium 2, g adalah percepatan gravitasi, r adalah jari-jari kapiler, q adalah sudut pembasahan. Untuk cairan yang tidak membasahi dinding kapiler, cos q< 0, что приводит к опусканию жидкости в капилляре ниже уровня плоской поверхности (h < 0).

Dari ekspresi (2) berikut definisi konstanta kapiler cairan sebuah= 1/2 . Ini memiliki dimensi panjang dan mencirikan ukuran linier Z[sebuah, di mana fenomena kapiler menjadi signifikan Jadi, untuk air pada 20 ° C a = 0,38 cm Dalam gravitasi lemah (g: 0), nilainya sebuah meningkat. Di bidang kontak partikel, kondensasi kapiler menyebabkan kontraksi partikel di bawah aksi tekanan tereduksi Dp< 0.

persamaan Kelvin.

Kelengkungan permukaan cairan menyebabkan perubahan tekanan uap kesetimbangan di atasnya R dibandingkan dengan tekanan uap jenuh ps di atas permukaan datar pada suhu yang sama T. Perubahan ini dijelaskan oleh persamaan Kelvin:

di mana adalah volume molar cairan, R adalah konstanta gas. Penurunan atau kenaikan tekanan uap tergantung pada tanda kelengkungan permukaan: di atas permukaan cembung (r 0 > 0) p > p s ; lebih cekung (r 0< 0) R< р s . . Jadi, di atas tetesan, tekanan uap meningkat; dalam gelembung, sebaliknya, diturunkan.

Berdasarkan persamaan Kelvin, pengisian kapiler atau badan berpori dihitung pada kondensasi kapiler. Karena nilai-nilai R berbeda untuk partikel dengan ukuran yang berbeda atau untuk luas permukaan dengan depresi dan tonjolan, persamaan (3) juga menentukan arah perpindahan materi dalam proses transisi sistem ke keadaan setimbang. Ini mengarah, khususnya, pada fakta bahwa tetesan atau partikel yang relatif besar tumbuh karena penguapan (pelarutan) yang lebih kecil, dan ketidakteraturan permukaan benda non-kristal dihaluskan karena pembubaran tonjolan dan penyembuhan depresi. . Perbedaan nyata dalam tekanan uap dan kelarutan hanya terjadi pada r 0 yang cukup kecil (untuk air, misalnya, pada r 0. Oleh karena itu, persamaan Kelvin sering digunakan untuk mengkarakterisasi keadaan sistem koloid dan benda berpori serta proses di dalamnya.

Beras. 2. Perpindahan fluida menurut panjangnya aku dalam kapiler dengan radius r; q - sudut kontak.

impregnasi kapiler.

Penurunan tekanan di bawah meniskus yang cekung merupakan salah satu penyebab pergerakan kapiler cairan menuju meniskus dengan radius kelengkungan yang lebih kecil. Kasus khusus ini adalah impregnasi badan berpori - penyerapan spontan cairan ke dalam pori-pori dan kapiler liofilik (Gbr. 2). Kecepatan v pergerakan meniskus dalam kapiler yang terletak secara horizontal (atau dalam kapiler vertikal yang sangat tipis, ketika pengaruh gravitasi kecil) ditentukan oleh persamaan Poiseuille:

di mana aku adalah panjang bagian cairan yang diserap, h adalah viskositasnya, Dp adalah penurunan tekanan di bagian aku, sama dengan tekanan kapiler meniskus: Dp = - 2s 12 cos q/r. Jika sudut kontak q tidak bergantung pada kecepatan v, adalah mungkin untuk menghitung jumlah cairan yang diserap selama waktu tersebut t dari rasio:

aku(t) = (rts 12 cos q/2h) l/2 . (5)

Jika q adalah fungsi v, kemudian aku dan v berhubungan dengan hubungan yang lebih kompleks.

Persamaan (4) dan (5) digunakan untuk menghitung laju impregnasi saat merawat kayu dengan antiseptik, mewarnai kain, menerapkan katalis pada pembawa berpori, ekstraksi leaching dan difusi komponen batuan yang berharga, dll. Untuk mempercepat impregnasi, surfaktan sering digunakan digunakan yang meningkatkan pembasahan dengan mengurangi sudut kontak q. Salah satu opsi untuk impregnasi kapiler adalah perpindahan satu cairan dari media berpori ke yang lain, yang tidak bercampur dengan yang pertama dan lebih baik membasahi permukaan pori-pori. Ini adalah dasar, misalnya, metode untuk mengekstraksi minyak residu dari reservoir dengan larutan surfaktan berair, dan metode porosimetri merkuri. Penyerapan kapiler larutan ke dalam pori-pori dan perpindahan cairan yang tidak dapat bercampur dari pori-pori, disertai dengan adsorpsi dan difusi komponen, dianggap oleh hidrodinamika fisikokimia.

Selain keadaan kesetimbangan yang dijelaskan dari cairan dan pergerakannya dalam pori-pori dan kapiler, keadaan kesetimbangan volume yang sangat kecil dari cairan, khususnya, lapisan tipis dan film, juga disebut sebagai fenomena kapiler. Fenomena kapiler ini sering disebut sebagai fenomena kapiler tipe II. Mereka dicirikan, misalnya, oleh ketergantungan tegangan permukaan cairan pada jari-jari tetesan dan oleh tegangan linier. Fenomena kapiler pertama kali dipelajari oleh Leonardo da Vinci (1561), B. Pascal (abad ke-17), dan J. Jurin (abad ke-18) dalam eksperimen dengan tabung kapiler. Teori fenomena kapiler dikembangkan dalam karya P. Laplace (1806), T. Jung (1804), A. Yu. Davydov (1851), J. W. Gibbs (1876), I. S. Gromeka (1879, 1886). Awal perkembangan teori fenomena kapiler jenis kedua diletakkan oleh karya-karya B. V. Deryagin dan L. M. Shcherbakov.

FENOMENA KAPILAR- serangkaian fenomena yang disebabkan oleh aksi tegangan permukaan antarmuka pada antarmuka media yang tidak bercampur; untuk K.i. biasanya termasuk fenomena dalam cairan yang disebabkan oleh kelengkungan permukaannya, berbatasan dengan cairan lain, gas, atau yang tepat. feri. K. Ya. adalah kasus khusus dari fenomena permukaan. Dengan tidak adanya cairan, permukaan selalu melengkung. Di bawah pengaruh, volume terbatas cairan cenderung berbentuk bola, yaitu, menempati volume dengan min. permukaan. Gaya gravitasi secara signifikan mengubah gambar. Cairan dengan viskositas yang relatif rendah dengan cepat mengambil bentuk bejana, di mana ia dituangkan, dan permukaan bebasnya (tidak berdekatan dengan dinding bejana) dalam kasus massa cairan yang cukup besar dan area yang luas dari permukaan bebas praktis datar. Namun, ketika massa cairan berkurang, peran tegangan permukaan menjadi lebih signifikan daripada gaya gravitasi. Jadi, misalnya, ketika menghancurkan cairan dalam gas (atau gas dalam cairan), tetesan (gelembung) bola terbentuk. formulir. Sifat-sifat sistem yang mengandung sejumlah besar tetesan atau gelembung (emulsi, aerosol cair, busa) dan kondisi pembentukannya sangat ditentukan oleh kelengkungan permukaan formasi ini, yaitu K. I. Peran besar K.I. Mereka juga berperan dalam nukleasi selama kondensasi uap, pendidihan cairan, dan kristalisasi. Kelengkungan permukaan zat cair juga dapat terjadi sebagai akibat interaksinya dengan permukaan zat cair atau padat lain. Dalam hal ini, ada atau tidak adanya membasahi cair pada permukaan ini. Jika itu terjadi, yaitu, molekul cairan 1 (Gbr. 1) berinteraksi lebih kuat dengan permukaan benda padat 3 daripada dengan molekul cairan (atau gas) 2 lainnya, maka di bawah pengaruh perbedaan gaya interaksi antarmolekul, cairan naik sepanjang dinding kapal dan berdekatan dengan benda padat, bagian dari permukaan cairan akan melengkung. Hidrostatik tekanan yang disebabkan oleh kenaikan level cairan seimbang tekanan kapiler- perbedaan tekanan di atas dan di bawah permukaan lengkung, yang nilainya terkait dengan kelengkungan lokal permukaan cairan. Jika Anda membawa dinding datar bejana lebih dekat ke cairan, maka zona kelengkungan akan tumpang tindih dan meniskus terbentuk - permukaan yang sepenuhnya melengkung. Dalam kapiler seperti itu, dalam kondisi pembasahan di bawah meniskus cekung, tekanan diturunkan, cairan naik; berat kolom cairan. h 0 menyeimbangkan tekanan kapiler Dр. Dalam keseimbangan

Tegangan permukaan relatif mudah ditentukan secara eksperimental. Ada berbagai metode untuk menentukan tegangan permukaan, yang dibagi menjadi statis, semi-statis dan dinamis. Metode statis didasarkan pada fenomena kapiler yang terkait dengan kelengkungan antarmuka.

Dengan munculnya kelengkungan permukaan antara fase, tekanan internal tubuh berubah dan tekanan Laplace tambahan (kapiler) muncul. R, yang dapat menambah atau mengurangi karakteristik tekanan internal permukaan datar. Tekanan tambahan ini dapat direpresentasikan sebagai resultan gaya tegangan permukaan yang diarahkan ke pusat kelengkungan yang tegak lurus permukaan. Kelengkungan bisa positif atau negatif (Gbr. 2.2).

Beras. 2.2. Skema pembentukan tekanan tambahan untuk permukaan dengan positif (a) dan negatif (b) lengkungan

Perubahan volume cairan terjadi sebagai akibat dari penurunan spontan energi permukaan dan konversinya menjadi energi mekanik dari perubahan volume tubuh. Dalam hal ini, dalam persamaan (2.2) untuk energi Helmholtz pada konstanta T, n, q hanya dua istilah yang perlu dipertimbangkan. dF=-pdV+ods. Pada kesetimbangan dF = 0, jadi pdf=ods. Dalam ekspresi ini p = P- tekanan tambahan (tekanan Laplace), sama dengan perbedaan tekanan antara tekanan benda dengan permukaan datar dan melengkung (AR):

Perbandingannya disebut kelengkungan permukaan.

Untuk permukaan bola. Mengganti ekspresi ini

ke dalam persamaan untuk tekanan tambahan, kita memperoleh persamaan Laplace:

di mana G- radius kelengkungan; - kelengkungan atau dispersi (Gbr. 2.3).

Jika permukaan memiliki bentuk yang tidak beraturan, digunakan konsep kelengkungan rata-rata dan persamaan Laplace adalah

di mana Gr / * 2 - jari-jari utama kelengkungan.

Beras. 2.3. Kenaikan kapiler cairan selama pembasahan (a) dan non-pembasahan (tentang) dinding kapiler

Untuk tegangan permukaan, persamaan Laplace dapat ditulis ulang dalam bentuk yang menunjukkan proporsionalitas permukaan

radius tegangan kapiler G dan tekanan R, di mana gelembung gas keluar dari kapiler yang direndam dalam cairan. Pada proporsionalitas inilah metode penentuan eksperimental tegangan permukaan Rehbinder didasarkan.

Metode Rehbinder mengukur tekanan di mana gelembung gas keluar dari kapiler yang diturunkan oleh cairan. Pada saat gelembung melompat, tekanan terukur akan sama dengan tekanan kapiler, dengan jari-jari kelengkungan permukaan - dengan jari-jari kapiler. Dalam percobaan, hampir tidak mungkin untuk mengukur jari-jari kapiler, oleh karena itu, pengukuran relatif dilakukan: tekanan ditentukan dalam gelembung gas yang melompat melalui cairan dengan tegangan permukaan yang diketahui (cairan ini disebut standar), dan kemudian tekanan R dalam gelembung gas yang melompat melalui cairan dengan tegangan permukaan yang ditentukan. Air suling biasanya digunakan sebagai cairan standar, dan bidistilasi digunakan untuk pengukuran yang akurat.

Perbandingan antara tegangan permukaan cairan standar dengan tekanan dalam gelembung yang melewatinya disebut konstanta

kapiler. Dengan nilai tegangan permukaan yang diketahui

(t 0 dan tekanan terukur dan R untuk cairan standar dan yang diselidiki, tegangan permukaan yang terakhir ditentukan oleh rumus perhitungan utama dari metode ini:

Jika nilai tersebut diketahui dengan ketelitian yang tinggi, maka nilai tegangan permukaan zat cair yang ditentukan juga akan akurat. Metode Rehbinder memberikan akurasi penentuan tegangan permukaan hingga 0,01 mJ/m 2 .

Saat menggunakan metode pengangkatan, tinggi naik (atau turunnya) cairan dalam kapiler diukur dan cc dibandingkan dengan tinggi naiknya cairan standar yang tegangan permukaannya diketahui (Gbr. 2.4).

Beras. 2.4.

Alasan kenaikan kapiler adalah bahwa cairan, membasahi dinding kapiler, membentuk kelengkungan permukaan tertentu, dan tekanan Laplace kapiler yang dihasilkan meningkatkan cairan dalam kapiler sampai berat kolom cairan menyeimbangkan gaya kerja. Kenaikan cairan dalam kapiler diamati ketika kelengkungan permukaan cairan negatif. Dengan meniskus cekung, tekanan Laplace cenderung meregangkan cairan dan menaikkannya, kenaikan kapiler semacam itu disebut positif, itu khas untuk cairan yang membasahi dinding kapiler (misalnya, dalam sistem kaca-air). Sebaliknya, jika kelengkungan permukaannya positif (meniskus cembung), maka tekanan tambahan cenderung menekan cairan dan penurunannya di kapiler diamati, yang disebut kenaikan kapiler negatif. Fenomena serupa khas untuk kasus di mana dinding kapiler tidak dibasahi oleh cairan (misalnya, dalam sistem kaca-merkuri).

Dilihat oleh Gambar. 2.4. pembasahan mempengaruhi geometri permukaan dan jika r adalah jari-jari kelengkungan, maka jari-jari kapiler itu sendiri R terkait dengannya oleh relasi

di mana di- sudut kontak pembasahan (akut, asalkan dinding kapiler dibasahi oleh cairan). Ini mengikuti dari hubungan terakhir bahwa

Substitusikan relasi ini ke dalam persamaan (2.4), kita peroleh

Jika kita memperhitungkan bahwa tekanan kolom cairan dalam persamaan pdf=ods berhubungan dengan tingginya mgh = V(p-p^)gh, Anda bisa mendapatkan rasio dan kemudian rumus Jurin:

di mana h- ketinggian naiknya cairan dalam kapiler; R adalah densitas cairan; ps adalah densitas uap jenuhnya; g- percepatan gravitasi.

Asalkan densitas cairan R dan densitas uap jenuhnya ps tak tertandingi (R » p s) untuk tegangan permukaan, kita dapat menulis

Dalam rumus yang lebih sederhana, juga diasumsikan bahwa dinding bejana dibasahi seluruhnya oleh cairan (cos di = 1):

^ _ 2(7

gR(p-Ps)"

Dalam penggunaan praktis metode ini, perhitungan tegangan permukaan dilakukan sesuai dengan rumus:

dimana dan h- ketinggian kenaikan kapiler cairan standar dan cairan uji; p^u p- kepadatan mereka.

Metode ini dapat digunakan sebagai metode yang tepat asalkan di - konstanta, ini lebih baik di= 0 °, yang dapat diterima untuk banyak cairan tanpa kondisi tambahan. Dalam percobaan, perlu menggunakan kapiler tipis yang dibasahi dengan baik oleh cairan. Metode capillary rise juga dapat memberikan akurasi yang tinggi dalam menentukan tegangan permukaan, hingga 0,01-0,1 mJ/m