Hajszálcsövesség

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Jump to navigation Jump to search

A hajszálcsövesség, idegen szóval kapilláris hatás vagy kapilláris effektus a folyadékok azon tulajdonsága, hogy képesek szűk, keskeny térben a gravitációs erő ellenében is mozogni. Ez a jelenség sok helyen tapasztalható, mint például porózus papíron, papírtörölközőn, hajszálcsövekben, a talajban stb.[1]

A kapilláris jelenség a folyadék és az azt körülvevő cső közötti intermolekuláris erők miatt lép fel. Ha a cső átmérője elegendően kicsi, akkor a felületi feszültség, valamint a folyadék és a cső közötti adhéziós erők együttes hatása felemeli a folyadékot a gravitáció ellenében.

A kapilláris szó a latin caput (fej), és ebből a capillus (haj) szavakból származik, mivel feltehetően először a hajnál, vagy ecsetnél tapasztalták a jelenséget. A kapilláris szót használják vékony, nagyon kis átmérőjű csövekre is.

Történelme[szerkesztés]

A hajszálcsövességről először Leonardo da Vinci tett említést. Galileo tanítványa, Niccoló Aggiunti is vizsgálta ezt. 1660-ban a hajszálcsövesség még újdonságnak számított Robert Boylenak akkor, amikor tudomást szerzett egy ”kíváncsi francia férfi” megfigyeléséről. Megfigyelte, hogy a vízbe mártott kapilláris csőben a vízszint megemelkedik. Ezt követően Boyle közétett egy kísérletet, amiben egy hajszálcsövet vörös borba merített, majd a csövet vákuumba tette. Észrevette, hogy a vákuum nem hat a folyadékszint magasságára, tehát a folyadék természete nem változik a kapillárisban.

Egyesek: Honoré Fabri, Jacob Bernoulli és még mások azt hitték, hogy a levegő nem tud olyan könnyen bejutni a cső belsejébe mint a folyadék, s így a kapillárisban kisebb lesz a nyomás, mint a légköri nyomás. Szerintük ez eredményezte a folyadékszint emelkedését a hajszálcsőben.

Mások, mint Isaac Vossius, Giovanni Alfonso Borelli, Louis Carré, Francis Hauksbee és Josia Weitbrecht azt hitték, hogy a folyadék részecskéit vonza a kapilláris fala.

A 18. században is folyatódtak a jelenséggel kapcsolatos kísérletezések. 1805-ben Thomas Young és Pierre-Simon Laplace megalkották a Young-Laplace egyenletet, mely a hajszálcsövességre vonatkozik. 1830-ban a német matematikus, Carl Friedrich Gauss meghatározta a hajszálcsövesség határértékeinek  feltételeit. (pl: a szilárd-folyékony határfelület feltételei). 1871-ben William Thomson (Lord Kelvin) kijelentette a Kelvin féle egyenletet. Következésképpen Franz Ernst Neumann meghatározta két vegyíthetetlen folyadék közötti kölcsönhatást.

Albert Einstein első publikációja, 1901-ből, a kapilláris jelenségről szólt (Folgerungen aus den Kapillaritätserscheinungen, Annalen der Physik, 513. oldal).[2]

Demonstráció[szerkesztés]

Kapilláris jelenségek (balról víz, jobbról higany van a csövekben)

Egy egyszerű tárggyal, egy kapilláris csővel demonstrálhatjuk a hajszálcsövességet. Ha egy mindkét végén nyitott kapillárist (kis átmérőjű üvegcső) függőlegesen behelyezünk egy vízzel teli edénybe, akkor a csőben felemelkedik a vízoszlop, és konkáv meniszkusz alakul ki az oszlop tetején. A folyadék és az üvegfal közötti adhéziós erők felhúzzák a vízoszlopot addig, amíg egyensúlyba kerül a rá ható gravitációs erővel. A vízoszlop súlya arányos a cső átmérőjének négyzetével, így minél keskenyebb a cső, annál magasabbra emelkedik a vízoszlop. A mellékelt képen látható, hogy a kisebb átmérőjű csőben magasabbra emelkedik a víz. Ahigany – és más nem nedvesítő folyadékok – konvex meniszkuszt produkál, és a kapilláris jelenség fordítottan működik.

Növényekben és állatokban[szerkesztés]

Több növényben is megfigyelhető a hajszálcsövesség. A levelek párologtatása révén nyomáskülönbség jön létre a gyökerek és a levelek között, ezért jut fel a víz a fákban. Ez a fajta vízfelszívási mód, mármint a hajszálcsövesség a észrevehető néhány állat esetében is, mint például a Tüskés ördögnél.

A meniszkusz magassága[szerkesztés]

A folyadékoszlop szintjének a magassága a Jurin törvönyéből határozható meg.

Ahol ϒ- a folyadék felületi feszültsége, θ- az illeszkedési szög, ρ-a folyadék sűrűsége, g-gravitációs állandó, r-a cső sugara.

Tehát a folyadékszint magassága függ a cső átmérőjétől. Kicsinyítve a kapilláris sugarát, a meniszkusz magasabban fog elhelyezkedni.

Normál laboratóriumi körülmények között a folyadék felületi feszültsége ϒ=0,0728 N/m (20°C-n), a sűrűsége ρ=1000 kg/m3 és g=9,81 m/s2. Ezen értékek függvényében  m.

Egy 2 méter sugarú cső esetében 0,007 mm, míg egy 2 cm sugarú cső esetében 0,7mm, valamint egy 0,2 mm sugarú cső esetében 70 mm lesz a a vízszint emelkedése.

Példák[szerkesztés]

A kapilláris jelenség alapján képződik a könny az egészséges szemnél. A szemhéj belső szélén két kis csatorna található, ezek biztosítják a szem „olajozását” a kapilláris jelenség hatására.

Papírtörülközők szintén a kapilláris hatás alapján szívják fel a nedvességet. Speciális szintetikus anyagok a kapilláris jelenség alapján abszorbeálják a nedvességet az izzadó bőr felületéről.

A vékonyréteg-kromatográfia is a kapilláris hatás alapján működik.

A hidrológiában a kapilláris jelenség írja le a vízmolekulák mozgását a talajban. Részben a kapilláris hatás miatt mozog a nedvesség a száraz talajrészek felé.

Irodalom[szerkesztés]

  • G.K. Batchelor: 'An Introduction To Fluid Dynamics'. (hely nélkül): Cambridge University Press. 1967. ISBN 0-521-66396-2  
  • Filep Emőd, Néda Árpád, Hőtan, Ábel Kiadó, Kolozsvár, 2003

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]

Források[szerkesztés]