Kapillarkraft

Kapillarkraft er ei kraft som verkar på grenseflata mellom to ikkje-blandelege væsker eller mellom ei væske og ein gass, og skuldast overflatespenning. Kapillareffekter og kapillaritet er samlenamn på effektar som kjem av kapillarkrefter.

Kapillarkrefter er viktige for all væskerørsle i tynne røyr, òg kalla hårrøyr eller kapillarrøyr. Namnet kapillar kjem frå latin capillus og tyder hår. Dei tynnaste blodårene vert kalla kapillarar.

Dersom eit tynt røyr vert sett vertikalt ned i eit væskebad, så vil kapillarkrefter gjere at væskenivået inne i røyret avvik frå nivået utanfor røyret. Nivået inne i røyret kan vere høgare eller lågare enn utanfor, avhengig av fukteigenskapane til væska. Dess tynnare røyret er, dess større er høgdeskilnaden, og dette er skildra av Juvins regel.

Kapillarkrefter kan spele ei viktig rolle i danninga av forma til ein væskeoverflate, til dømes forma til ein drope.

Kapillaritet er òg viktige for i porøse materialar: Kapillarkrefter er til dømes årsak til at papirhandkledet trekkjer til seg vatn og at ein veike i eit ljos trekkjer opp stearin. Tynnsjiktkromatografi utnyttar kapillarkrefter i eit porøst material til å kunne analysere innhaldet i ulike stoff.

I væskemekanikk er Bondtalet eit dimensjonslaust mål for tilhøvet mellom tyngdekrefter og kapillarkrefter. Bondtalet B er definert ved

${\displaystyle B={\rho gL^{2} \over \gamma }\,}$

I formelen er

${\displaystyle \rho }$ = tettleik eller tettleiksdifferanse

g = tyngdeakselerasjon

L = karakteristisk lengde for kapillarkreftene, til dømes radius i hårrøyret

${\displaystyle \gamma }$ = overflatespenning

Ein kan òg definere den karakteristiske kapillarlengda:

${\displaystyle L_{c}={\sqrt {\frac {\gamma }{\rho g}}}}$,

og Bondtalet kan då skrivast

${\displaystyle B={\left({L \over L_{c}}\right)^{2}}\,}$

Kapillartrykk er ein trykkskilnad over grenseflata mellom to væsker. Trykkskilnaden balanserer kapillarkreftene på væskeoverflata, og denne balansen er berre mogeleg dersom væskeflata er krumma. Forholdet mellom krumminga til væskeoverflata, kapillartrykk og overflatespenning er skildra ved Young-Laplace-likninga:

${\displaystyle p_{c}={2\gamma \cos \theta \over R}\,}$

Her er

${\displaystyle p_{c}}$ = kapillartrykk

${\displaystyle \gamma }$ = overflatespenning

R = karakteristisk krummingsradius for væskeoverflata

${\displaystyle \theta }$ = fuktvinkel

Når eit hårrøyr vert plassert vertikalt i eit væskebad er høgdedifferansen h mellom grenseflaten inne i røyret og utanfor gjeven ved Juvins regel:

${\displaystyle h={{2\gamma \cos {\theta }} \over {\rho gr}}}$

Her er

${\displaystyle \gamma }$ = overflatespenning

θ = fuktvinkel

${\displaystyle \rho }$ = væsketettleik

g = tyngdeakselerasjon

r = radiusen til røyret

For eit glasrøyr, vatn og luft ved havnivå kan ein bruke dei følgjande karakteristiske verdiane:

${\displaystyle \gamma }$ = 0,0728 J/m² ved 20 °C

θ = 20° (0,35 radianar)

ρ = 1000 kg/m³

g = 9,8 m/s²

Høgdeskilnaden kan då uttrykkast som

${\displaystyle h\approx {{1,4\times 10^{-5}\mathrm {m} ^{2}} \over r}}$.