모세관 : 물의 특성 및 예 - 화학 - 2026

모세관은 그들도 중력에 대하여 관형 구멍 또는 다공성 표면을 이동할 수 있도록 유체의 성질이다. 이를 위해서는 액체 분자와 관련된 두 가지 힘의 균형과 조정이 있어야합니다 : 응집력과 접착력; 이 두 가지는 표면 장력이라는 물리적 반사를 가지고 있습니다.

액체는 튜브의 내부 벽이나 그것이 통과하는 물질의 구멍을 적실 수 있어야합니다. 이것은 접착력 (액체 모세관 벽)이 분자간 응집력보다 클 때 발생합니다. 결과적으로 액체 분자는 서로보다 물질 (유리, 종이 등)의 원자와 더 강한 상호 작용을합니다.

출처 : Wikipedia를 통한 MesserWoland

모세관 현상의 전형적인 예는 물과 수은이라는 두 가지 매우 다른 액체에 대한이 특성의 비교에서 설명됩니다.

위의 이미지에서 물이 튜브의 벽 위로 올라 와서 더 큰 접착력을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 수은의 경우 그 반대 현상이 발생하는데, 그 이유는 금속 결합의 응집력이 유리가 젖는 것을 방지하기 때문입니다.

이러한 이유로 물은 오목한 반월판을 형성하고 수은은 볼록한 (돔 모양) 반월판을 형성합니다. 또한 튜브의 반경이나 액체가 통과하는 섹션이 작을수록 이동 한 높이 또는 거리가 커집니다 (두 튜브의 수주 높이 비교).

모세관 특성

-액체의 표면

모세관에서 액체, 즉 물의 표면은 오목합니다. 즉, 반월판은 오목합니다. 이 상황은 튜브 벽 근처의 물 분자에 가해지는 힘의 결과가 튜브를 향하기 때문에 발생합니다.

모든 반월판에는 접촉각 (θ)이 있으며, 이는 접촉 지점에서 액체 표면에 접하는 선이있는 모세관 벽에 의해 형성된 각도입니다.

접착력 및 응집력

액체의 모세관 벽에 대한 접착력이 분자간 응집력보다 우세하면 각도는 θ <90º입니다. 액체는 모세관 벽을 적시고 물은 모세관을 통해 상승하여 모세관 현상으로 알려진 현상을 관찰합니다.

깨끗한 유리 표면에 물 한 방울을 떨어 뜨리면 물이 유리 위로 퍼지므로 θ = 0이고 cos θ = 1입니다.

예를 들어 수은과 같이 분자간 응집력이 액체 모세관 벽 접착력보다 우세하면 반월판은 볼록하고 각도 θ는> 90º 값을 갖게됩니다. 수은은 모세관 벽을 적시 지 않으므로 내부 벽으로 흘러갑니다.

깨끗한 유리 표면에 수은 한 방울을 떨어 뜨리면 방울의 모양과 각도 θ = 140º가 유지됩니다.

-신장

물은 물기둥의 무게가 분자간 응집력의 수직 성분을 보상하는 높이 (h)에 도달 할 때까지 모세관을 통해 상승합니다.

더 많은 물이 상승함에 따라 표면 장력이 당신에게 유리하게 작용하더라도 중력이 상승을 멈추는 지점이 올 것입니다.

이런 일이 발생하면 분자는 계속해서 내벽을 "올라갈"수 없으며 모든 물리적 힘이 균등 해집니다. 한편으로는 물의 상승을 촉진하는 힘이 있고 다른 한편으로는 물을 아래로 밀어내는 자신의 무게가 있습니다.

주린의 법칙

이것은 다음과 같이 수학적으로 작성할 수 있습니다.

2 π rϒcosθ = ρgπr ² 시간

방정식의 왼쪽이 표면 장력에 의존하는 경우, 그 크기는 응집력 또는 분자간 힘과도 관련이 있습니다. Cosθ는 접촉각을 나타내고 r은 액체가 상승하는 구멍의 반경을 나타냅니다.

그리고 방정식의 오른쪽에는 높이 h, 중력 g, 액체의 밀도가 있습니다. 물이 될 것입니다.

다음을 해결하면 h 우리는

h = (2ϒcosθ / ρgr)

이 공식은 액체 기둥의 무게가 모세관 작용에 의해 상승하는 힘과 균형을 이룰 때 모세관에서 액체 기둥이 도달하는 높이를 정의하는 Jurin의 법칙으로 알려져 있습니다.

-표면 장력

물은 산소 원자의 전기 음성 도와 분자 구조로 인해 쌍극자 분자입니다. 이로 인해 산소가 위치한 물 분자 부분은 음전하를 띠게되고 2 개의 수소 원자를 포함하는 물 분자 부분은 양전하를 띠게됩니다.

이 덕분에 액체의 분자는 여러 수소 결합을 통해 상호 작용하여 서로 결합합니다. 그러나 물에있는 물 분자 : 공기 계면 (표면)은 공기 분자와의 약한 인력에 의해 보상되지 않고 액체의 부비동 분자에 의해 순 인력을받습니다.

따라서 계면의 물 분자는 계면에서 물 분자를 제거하는 인력을받습니다. 즉, 바닥에있는 분자와 함께 형성된 수소 결합은 표면에있는 분자를 끌어 당깁니다. 따라서 표면 장력은 수면 : 공기 인터페이스를 감소 시키려고합니다.

h와의 관계

주린의 법칙 방정식을 보면 h가 ϒ에 정비례한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 액체의 표면 장력이 높을수록 물질의 모세관이나 기공에 의해 높이가 올라갈 수 있습니다.

이런 식으로 표면 장력이 다른 두 액체 A와 B의 경우 표면 장력이 더 큰 액체가 더 높은 높이로 상승 할 것으로 예상됩니다.

이 점과 관련하여 높은 표면 장력이 액체의 모세관 특성을 정의하는 가장 중요한 특성이라는 결론을 내릴 수 있습니다.

-액체가 상승하는 모세관 또는 기공의 반경

Jurin의 법칙을 관찰하면 액체가 모세관이나 기공에 도달하는 높이가 동일한 반경에 반비례 함을 나타냅니다.

따라서 반경이 작을수록 액체 기둥이 모세관 작용에 의해 도달하는 높이가 커집니다. 이것은 물이 수은과 비교되는 이미지에서 직접 볼 수 있습니다.

반경이 0.05mm 인 유리관에서 모세관 당 수주 높이는 30cm에 이릅니다. 1.5 x 10 ³ hPa (1.5 atm에 해당) 의 흡입 압력을 가진 반경 1 µm의 모세관 에서 수층의 높이를 14 ~ 15로 계산 미디엄.

이것은 여러 번 켜지는 빨대에서 발생하는 것과 매우 유사합니다. 액체를 마시면 압력 차이가 발생하여 액체가 입으로 올라갑니다.

모세관의 반경은 특정 한계 이상으로 감소 될 수 없기 때문에 모세관이 도달 한 컬럼의 최대 높이 값은 이론적입니다.

Poiseuille의 법칙

이것은 실제 액체의 흐름이 다음 식으로 주어짐을 확인합니다.

Q = (πr ⁴ / 8ηl) ΔP

Q는 액체의 흐름, η는 점도, l은 튜브의 길이, ΔP는 압력 차이입니다.

모세관의 반경이 감소함에 따라 모세관이 도달하는 액체 기둥의 높이는 무한히 증가해야합니다. 그러나 Poiseuille은 반경이 감소하면 모세관을 통과하는 유체 흐름도 감소한다고 지적합니다.

또한 실제 액체의 흐름에 대한 저항의 척도 인 점도는 액체의 흐름을 더욱 감소시킵니다.

-접촉각 (θ)

cosθ의 값이 클수록 Jurin의 법칙에서 알 수 있듯이 모세관 당 수주의 높이가 커집니다.

θ가 작고 영 (0)에 접근하면 cosθ는 = 1이므로 값 h는 최대가됩니다. 반대로 θ가 90º이면 cosθ = 0이고 h의 값은 0입니다.

볼록 메 니스 커스의 경우 인 θ의 값이 90º보다 크면 액체는 모세관 현상에 의해 상승하지 않고 하강하는 경향이 있습니다 (수은에서 발생).

물의 모세관

물은 72.75 N / m의 표면 장력 값을 가지며 다음 액체의 표면 장력 값에 비해 상대적으로 높습니다.

-아세톤 : 22.75 N / m

-에틸 알코올 : 22.75 N / m

-헥산 : 18.43 N / m

-메탄올 : 22.61 N / m.

따라서 물은 표면 장력이 뛰어나 식물이 물과 영양분을 흡수하는 데 필요한 모세관 현상의 발생에 유리합니다.

식물에서

출처 : Pixabay

모세관 현상은 식물의 목부를 통해 수액이 상승하는 중요한 메커니즘이지만, 수액을 나무 잎으로 옮기는 것만으로는 충분하지 않습니다.

증산 또는 증발은 식물의 목부를 통해 수액이 상승하는 중요한 메커니즘입니다. 잎은 증발을 통해 물을 잃고 물 분자의 양을 감소시켜 모세관 (자 일렘)에있는 물 분자를 끌어 당깁니다.

물 분자는 서로 독립적으로 작용하지 않고 오히려 Van der Waals 힘에 의해 상호 작용하여 식물의 모세관을 통해 함께 결합하여 잎을 향해 올라갑니다.

이러한 메커니즘 외에도 식물은 삼투에 의해 토양에서 물을 흡수하고 뿌리에서 생성 된 양압이 식물의 모세관을 통해 물의 상승을 시작한다는 점에 유의해야합니다.

참고 문헌

1. 가르시아 프랑코 A. (2010). 표면 현상. 출처 : sc.ehu.es
2. 표면 현상 : 표면 장력 및 모세관. . 출처 : ugr.es
3. Wikipedia. (2018). 모세관 현상. 출처 : es.wikipedia.org
4. Risvhan T. (nd) 식물의 모세관. 출처 : academia.edu
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 년 12 월 22 일). 모세관 작용 : 정의 및 예. 출처 : thoughtco.com
6. Ellen Ellis M. (2018). 물의 모세관 작용 : 정의 및 예. 연구. 출처 : study.com
7. ScienceStruck 직원. (2017 년 7 월 16 일). 모세관 작용의 개념과 의미를 설명하는 예. 출처 : sciencestruck.com