Tindakan Kapilari dan Tegangan Permukaan

Air dalam tiub kaca yang sangat sempit boleh naik lebih tinggi daripada aras air di luar tiub tanpa pam. Fenomena ini dikenali sebagai tindakan kapilari. Ia terhasil daripada gabungan interaksi antara molekul cecair, tarikan antara cecair dengan permukaan pepejal, tegangan permukaan dan graviti. Hasilnya bergantung pada jenis cecair, bahan permukaan dan saiz ruang yang dilalui.

Tegangan permukaan berpunca daripada interaksi molekul

Molekul di bahagian dalam cecair dikelilingi molekul jiran dari banyak arah, tetapi molekul di permukaan tidak mempunyai jiran cecair di semua arah. Akibat daya tarikan antara molekul cecair, yang dikenali sebagai kohesi,, permukaan cecair cenderung mengurangkan luasnya, dan kesan makroskopik ini dikenali sebagai tegangan permukaan. Permukaan air kadangkala dibandingkan dengan selaput tegang, tetapi analogi itu mempunyai batas: tiada kulit pepejal yang berasingan terbentuk, yang wujud ialah antara muka cecair yang mempunyai tenaga dan daya.

Lekatan dan kohesi membentuk meniskus

Molekul dalam cecair saling menarik, suatu kesan yang sering disebut kohesi. Cecair juga berinteraksi dengan permukaan pepejal, yang boleh dihuraikan sebagai lekatan. Jika air membasahi kaca, permukaannya melengkung berhampiran dinding dan membentuk meniskus cekung. Tegangan permukaan bertindak sepanjang permukaan melengkung itu dan mempunyai komponen daya ke atas pada cecair di sepanjang garis sentuhan dengan dinding tiub.

Tiub lebih sempit menghasilkan kenaikan lebih besar

Dalam model tiub silinder, daya akibat tegangan permukaan bertindak di sepanjang lilitan tiub, manakala berat turus cecair meningkat bersama luas keratan rentas dan ketinggiannya. Apabila jejari tiub mengecil, nisbah antara kesan permukaan dengan berat turus menjadi lebih besar. Sebab itu kenaikan kapilari biasanya lebih tinggi dalam tiub yang lebih sempit, selagi andaian model masih sesuai. Kenaikan berhenti apabila komponen daya ke atas akibat tegangan permukaan seimbang dengan berat turus cecair. Bagi tiub bulat seragam, model keseimbangan ini memberikan h = 2γ cos θ / (ρgr), dengan h ketinggian kenaikan, γ tegangan permukaan, θ sudut sentuhan, ρ ketumpatan cecair, g pecutan graviti dan r jejari tiub.

Cecair tidak semestinya naik

Arah perubahan aras bergantung pada sudut sentuhan antara cecair dan permukaan. Cecair yang membasahi dinding dengan baik boleh menghasilkan kenaikan kapilari. Jika tarikan sesama molekul cecair lebih kuat berbanding tarikannya pada dinding, meniskus boleh menjadi cembung dan aras cecair dalam tiub boleh menurun. Oleh itu, tindakan kapilari bukan sifat tiub sahaja, tetapi sifat gabungan cecair dan permukaan. Sudut sentuhan yang kecil bermaksud cecair membasahi permukaan dengan baik, manakala sudut yang besar menunjukkan permukaan sukar dibasahi. Perubahan kimia permukaan atau pencemaran boleh mengubah sudut sentuhan, lalu mengubah tindakan kapilari walaupun diameter tiub tidak berubah.

Ruang liang menghasilkan kesan serupa

Kesan kapilari juga berlaku dalam rangkaian liang sempit seperti kertas, kain dan sesetengah tanah. Geometri sebenar jauh lebih rumit daripada satu tiub lurus, jadi kadar dan jarak pergerakan cecair turut dipengaruhi oleh saiz liang, kesinambungan laluan, kelikatan dan penyejatan. Model tiub kapilari tetap berguna untuk mengenal pasti daya utama yang terlibat. Dalam tumbuhan, tindakan kapilari menyumbang kepada pergerakan air dalam ruang sempit, tetapi tidak mencukupi untuk menerangkan pengangkutan air hingga ke puncak pokok yang tinggi; kesinambungan turus air dan transpirasi turut terlibat.

Surfaktan mengubah tegangan permukaan

Surfaktan, iaitu bahan aktif permukaan seperti detergen, berkumpul pada antara muka dan boleh mengurangkan tegangan permukaan air. Dengan mengubah tegangan permukaan dan pembasahan, surfaktan boleh mengubah cara cecair merebak, membentuk titisan atau bergerak dalam saluran sempit.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?