Kapillaarsus

Kapillaarsus on mittesegunevate keskkondade, harilikult tahke ja vedela faasi kokkupuute piirkonnas ilmnevad pindpinevusnähtused; kitsamas mõttes märgumisega kaasnevad imendumisnähtused kapillaarides ja poorides.
Kapillaarsuse tõttu on vedeliku tase suuremas anumas ja sellega ühendatud peenikeses torus erinev.
Kapillaarnähtused on füüsikalis-keemilised nähtused, mis ilmnevad peenikestes torudes ehk kapillaarides või poorsete materjalide poorides. Kapillaarefekt annab vedelikele omaduse voolata kitsas ruumis ilma näiliste välisjõudude (raskusjõud) otsese mõjuta. Efekt ilmneb näiteks värvipintsli harjastel ja saapapaelte märgumisel, samuti poorsetes materjalides nagu betoon või paber. Kapillaarefekt ilmutab end ka eluslooduses, taimsetes ja loomsetes rakkudes, kus on oluline vedeliku rakkudevaheline liikumine. Efekti põhjuseks on vedeliku ja tahkise pinnal olevad molekul-molekul vahelised sidemed ehk van der Waalsi vastasmõju. Nähtuse ilmnemise eelduseks on, et kapillaari või poori kõverusraadius on võrreldav vedelikupinna kõverusraadiusega, sest siis kompenseeruvad kohesiooni tõttu tekkinud vedeliku pindpinevusjõud ning vedeliku ja tahkise osakeste vahel mõjuv adhesioonjõud. Tulemuseks on vedeliku vaba liikumine mööda poori või kapillaari.
Etümoloogia.
Sõna "kapillaar" pärineb ladinakeelsest väljendist "capillaris" ('seotud juuksed'), sõnast "capillus" ('juuksekarv'), ja on algselt tuletatud sõnast "caput" ('pea'). Seetõttu võib eeldada, et kapillaarnähtused on nimetuse saanud just karvades toimunud nähtuste käigus, näiteks pintsli sukeldamisel värvi anumasse. Meditsiinis ja bioloogias tähendab sõna "kapillaar" õhukese seinaga veresooni. Sõna "kapillaar" tähendab üldises tähenduses väga peenikest toru.
Nähtuse füüsikaline seletus.
Levinuim füüsikaline mudel kasutab kapillaarnähtuste seletamiseks adhesioon- ja kohesioonjõudude vahekorraga määratud resultantjõu (vaadeldes jõudu vedeliku pinna suhtes, saab rääkida rõhust) ning vedelikusamba hüdrostaatilise rõhu vahel tekkinud tasakaalustunud rõhu mõjumise suunda. Sukeldades kapillaari, näiteks peenikese klaastoru, vertikaalselt veeanumasse, näeme, et vedelikusammas tõuseb kapillaaris kõrgemale vee üldisest tasemest anumas ja jääb ühel hetkel paigale. Vedeliku tõusu põhjustavad adhesioonjõudude mõjumine (märgumine) vedeliku pinna ja tahkise pinna vahel, mis tõmbab vedeliku sammast vertikaalsihis üles. Samba tõusu peatumise põhjustab vedelikusamba kasvades pidevalt kasvav hüdrostaatiline rõhk, mis, saades võrdseks adhesiooni rõhuga, peatab meniski tõusu. Vaadeldes saab veenduda, et meniski kõverusraadius on suunatud vertikaalsihis üles. Seega on vedeliku ja tahkise kokkupuutepinnal oleva summaarse pindrõhu mõju suunatud vertikaalsihis üles ja hüdrostaatilise rõhu mõju suunatud vertikaalsihis alla.
Sukeldades samasuguse klaaskapillaari elavhõbedasse, näeme eelnenule vastupidist olukorda: vedelikusammas vertikaalselt elavhõbedasse sukeldatud klaaskapillaaris on madalam teda ümbritsevas anumas olevast elavhõbedatasemest. Sel juhul on kohesioonijõu tekitatud rõhk suurem adhesiooni tekitatust ja märgamisefekti klaaskapillaari pinnaga ei toimu. Vedeliku pindpinevusjõud tõmbab vedelikku vertikaalsihis alla ja vedeliku menisk peatub hetkel, mil väljaspool klaaskapillaari oleva vedeliku hüdrostaatiline rõhk saab võrdseks kapillaari sees oleva vedeliku pindpinevusjõu tekitatud rõhuga. Meniski kõverusraadius on suunatud vertikaalsihis alla.
Hüdrostaatiline rõhk.
Vedelikusamba tekitatud hüdrostaatiline rõhk avaldub järgmise valemiga:
formula_1,
kus "p" on hüdrostaatiline rõhk, "ρ" vedeliku tihedus, "g"-raskuskiirendus, "h" vedelikusamba kõrgus, "V" vedelikusamba ruumala ja "A" vedelikusamba põhja pindala, ma ei tea miks.
Kapillaaris oleva meniski kõrgus.
Meniskiks nimetatakse kapillaaris oleva vedeliku ja gaasi piirpinda. Vedeliku pind on kumer ja tema kumerus on väljendatav kõverusraadiusega. Vedeliku kõrgus kapillaaris on arvutatav järgmise valemiga:
formula_2,
kus "h" on meniski kõrgus, "σ" vedeliku ja gaasi pinna pindpinevus (jõud/pikkus), "θ" kontakt nurk, "ρ" vedeliku tihedus (mass/ruumala), "g" raskuskiirendus (9,8 m/s²) ja "r" kapillaari raadius.
Standardtingimustel on klaastorukeses oleva vedeliku meniski kõrguse ja kapillaari raadiuse vaheline sõltuvus järgmine:
formula_3.
Näiteks 4 m diameetriga klaastorus (raadius on 2 m) tõuseb veetase vähemärgatavad 0,0074 mm, kuid 4 cm diameetriga klaastorus (raadius 2 cm) tõuseks veetase 0,74 mm ja klaastorus diameetriga 0,4 mm (raadius 0,2 mm) tõuseks veetase juba märgatavad 70 mm.
Näited.
Hüdroloogias on kapillaarnähtused tähtsad põhjavee liikumises. Vesi märgab poorset pinnast ja kapillaarjõud panevad põhjavee liikuma. Läbi pooride liikuv vesi puhastub ja rikastub mineraalidega, mis on looduslikult puhta joogivee tagamiseks inimkonnale elutähtis. Erinevused veepotentsiaalis (Ψ) juhivad pinnases toimuvat põhjavee liikumist.
Põleva küünla tahis liigub kapillaarjõudude mõjul sulanud küünlarasva pidevalt põleva otsa poole. Küünla süütamisel tahis hangunud rasv süttib ja põlemisel eraldunud soojus sulatab edasi ümbritsevat küünlarasva. Ärapõlenud küünlarasv asendub kohe kapillaarjõudude poolt mööda tahti üles liikuva sulanud küünlarasvaga ja seega ei põle küünlas mitte taht, vaid küünlarasv. Sarnast nähtust kasutatakse ära ka õlilampides, kus mööda tahti ülesliikuvaks vedelikuks on õli.
Kapillaarnähtusi kasutatakse ära näiteks majapidamispaberi ja pesukäsna vett imavas mõjus. Köögis maha läinud vedelikku majapidamispaberiga pühkides imavad vedeliku maast majapidamispaberi pooridesse just kapillaarjõud. Väikesed poorid käsnas käituvad nagu kapillaarid ja seetõttu saab käsn oma pooridesse imada suhteliselt suure koguse vedelikku. Sünteetilistes kangastes kasutatakse kangas leiduvaid kapillaare inimese nahalt higi ärajuhtimiseks.
Kapillaarnähtus on jälgitav ka adsorptsioonkromatograafias, milles solvent liigub vertikaalselt mööda adsorbenti üles. Meetodit kasutatakse solvendis lahustunud ainete tuvastamiseks, sest ka lahustunud ained liiguvad koos solvendiga mööda adsorbendi pinda üles. Lahustunud ainete liikumiskiirus sõltub lahustunud ainete ja solvendi (liikuv faas) ja adsorbendi (statsionaarne faas) polaarsusest.
Kapillaarnähtuste puudused ilmnevad näiteks saapa- ja kingapaelte märgumisel. Miinuskraadidega väljas liikudes pael külmub ja see muudab paela kinni- või lahtisidumise raskeks. Selle puuduse kõrvaldamiseks töödeldakse paelu eelnevalt kemikaalidega. Paelas kleebitakse kapillaarid mõnest kohast kinni, et tõkestada vee levikut.
Vedeliku liikumine poorses materjalis.
Poorse materjali, näiteks saapapaela või tellise kokkupuutel veega hakkab materjal kohe vett imama. Mida rohkem on materjal vett imanud, seda aeglasemalt edasine imamine toimub, ehk imavuse kiirus kahaneb ajas. Ühest otsast vette sukeldatud materjalitüki imatud vedeliku ruumala sõltub ajast järgmiselt:
formula_4,
kus "V" on imendunud vedeliku ruumala, "A" materjalitüki ristlõike pindala, "S" materjalitüki imavus (m/s½) ja "t" aeg.
Edasi saab tuletada suuruse "i", mis iseloomustab materjali imavust. Selle suuruse ühikuks on 1 m:
formula_5.