خاصه شعريه

Capillarity - Capillarité

الخاصة الشعرية

 

الخاصة الشعرية capillarityهي الفعل الذي يجعل سطح السائل يرتفع (أو ينخفض) عند موضع تماسه مع الجسم الصلب، بسبب التجاذب النسبي بين جزيئات السائل فيما بينها، وبينها وبين جزيئات الجسم.

ومن المعلوم أنه إذا غمسنا أنبوباً رفيعاً في الماء، فإن الماء داخل الأنبوب يرتفع فوق مستوى الماء خارج الأنبوب. أما إذا غمسناه في الزئبق فإن مستوى الزئبق في الأنبوب، يكون أخفض من مستوى الزئبق خارج الأنبوب.

يلاحظ كذلك عند التقاء سطح السائل بالوعاء الذي يحويه أن هذا السطح لا يكون مستوياً تماماً، بل تتسلق أطرافه نحو الأعلى (كما في حالة الماء)، وتتحدب نحو الأسفل (كما في حالة الزئبق).

هناك بعض الحشرات تستطيع السير على سطح الماء، كما يمكن إذا راعينا بعض الشروط أن نجعل الإبرة تطفو على سطح السائل من دون أن تنحدر نحو الأسفل.

ويمكن للقطرة في صنابير الماء أن تبقى معلقةً لمدة من دون أن تسقط، حتى إذا ما زاد حجمها على مقدار معين، بدأت بالسقوط.

يمكن تفسير هذه الظواهر وكثير غيرها، مما له أهمية كبيرة في الحياة العملية، استناداً إلى فرض وجود قوى متبادلة بين جزيئات السائل فيما بينها، وبين جزيئات السائل والأجسام المتماسة مع السائل. وتنشأ هذه القوى من البنية الكهربائية للجزيئات، آخذين بالحسبان أن القوى المتبادلة بين جزيئتين تتناقص بسرعة عندما تتزايد المسافة بينهما، حتى إذا ما تجاوزت المسافة مدى معيناً، ندعوه مدى التأثير الجزيئي و نرمز له بـ ز_. فإن القوى تكون مهملة.

الشكل (1)

فإذا وقع جزيء أ ضمن سائل متجانس بعيداً عن حدود السائل وبعيداً عن سطحه الحر وعن سطح الإناء (الذي يحويه)، أي بمسافة تتجاوز ز_. (الشكل-1) فإن جزيئات السائل الأخرى تؤثر فيه من جميع الجهات بشكل متماثل، مما يجعل محصلة هذه القوى معدومة.

أما إذا وقع جزيء ب بالقرب من حدود السائل أو على هذه الحدود (الشكل-1)، فعندئذ لاتقع الكرة التي مركزها ب ونصفقطرها ز_.ضمن السائل، أي إنها لا تقع في وسط متجانس واحد، بل في أكثر من وسط، مما يجعل الشروط ليست متماثلة من جميع الجهات، وتكون للقوى التي تؤثر في الجزيء من جواره محصلةٌ غير معدومة. تتجه هذه المحصلة نحو داخل السائل إذا وقعت الجزيئة على سطحه الحر، أي السطح الفاصل بين السائل و الغاز الذي يعلوه (الهواء مثلاً). وتعمل هذه المحصلة على أن يكون عدد الجزيئات السطحية أقل ما يمكن، وهذا يؤدي إلى تقلص السائل. ويشير هذا التقلص إلى وجود طاقة كمونية مرافقة له، هي ذلك العمل اللازم لمد السطح. ولقد جرت العادة، لتبسيط الحسابات، افتراض قوى تؤثر في جميع اتجاهات السطح موازية له ومكافئة للطاقة الكمونية. يسمى هذا التوتر التوتر السطحي surface tension. وعليه فإن هذا التوتر هو تلك القوة في السطح التي تنتج الآثار نفسها الناجمة عن عدم تناظر الجزيئات حول كل جزيء واقع على السطح الحر (أو السطح الفاصل) أو في جواره.

وقد تبين أن قوة التوتر السطحي والمؤثرة في عنصر خطي قصير δs من السطح تكون عمودية على هذا السطح. ولقد دلت الحسابات على أنه، إذا كان ض فرق الضغط بين الوسطين (الماء و الهواء) وكان تو قياس التوتر السطحي و rهو التقوس الأول للسطح (ضعف التقوس الوسطي)، فإن:

ض = تو r

ويكون في حالة فقاعة صابون:

ض = 2 تو r

لأن للغشاء (سطح الفقاعة) سطحي فصل. ولما كان الضغط على كلٍ من جانبي الغشاء (داخل الفقاعة وخارجها) ثابتاً، فإنه ينتج أن r يساوي ثابتاً، أي إن التقوس الوسطي ثابت. إن سطح الكرة هو أحد السطوح التي يكون عليها التقوس الوسطي ثابتاً. ولذا فإن فقاعة الصابون تأخذ شكل كرة.

فإذا كانت الفقاعة على سبيل المثال قد تكونت داخل الماء، وكان الضغط الخارجي = 10 ⁵ نيوتن/م² والداخلي 1.001×10⁵نيوتن/م²، وكان تو = 7×10 ^-2نيوتن/م، فإن:

 

 

وهذا يعني أن نصف قطر الفقاعة يساوي:

وإذا غمس أنبوب شعري (وهو أنبوب دقيق جداً) في سائل، فإن مستوى السائل داخل الأنبوب (في حالة الماء مثلاً) يكون أعلى من مستوى السائل خارج الأنبوب. ويكون:

الشكل (2)

وذلك بفرض أن «ل» هو المعدل الوسطي لارتفاع عمود السائل داخل الأنبوب فوق السطح الحر خارجه (الشكل -2)، «ر» نصف القطر الداخلي للأنبوب، «يه» زاوية التماس (الزاوية التي يصنعها المستوي الماس للسطح الحر داخل الأنبوب عند نقطة التقائه مع جدار الأنبوب، مع مستوي السطح الحر للسائل خارج الأنبوب)، «ج» تسارع الثقالة الأرضية، «ك» كتلة واحدة الحجم من السائل.

يلاحظ من هذه الصيغة أنه كلما ضاق الأنبوب، ارتفع عمود السائل فيه. وهذا يفسر ارتفاع الماء في جذع الشجرة وأغصانها، لأنه يمر داخل أوعية ضيقة داخل الشجرة.

فإذا كان السائل، على سبيل المثال، هو الماء يعلوه الهواء، وإذا كان تو = 0.07 نيوتن/م، يه = 0 ⁵، كـ = 1000كغ/م³، نصف قطر الأنبوب = 1مم، أي 10^-3 من المتر، ج = 908م/ثا²، فعندئذٍ يكون:

أما إذا كان السائل زئبقاً يعلوه هواء، وكان تو = 0.54نيوتن/م، يه = 135ْ، كـ = 13600كغ/م³، فعندئذٍ يكون:

أي إن سطح الزئبق داخل الأنبوب ينخفض عن السطح الحر للزئبق خارج الأنبوب بمقدار 0.58سم.

يلاحظ أنه بسبب هذا الانخفاض لسطح الزئبق داخل الأنبوب، فإنه يجب في موازين الضغط الجوي الزئبقية، إجراء التصحيح المناسب يسمى هذا التصحيح، تصحيح الشعرية capillarity correction.

وإذا وضعت قطرة من سائل على مستو أفقي، فإن القطرة تأخذ على الأغلب شكل سطح دوراني. وإذا فُرض أن القطرة كبيرة كبراً كافياً بحيث يكون لها سطح علوي أفقي فإن ارتفاع القطرة بدءاً من المستوي الأفقي يتناسب مع :وإذا وضعت إبرة على سطح الماء فإن هذه الإبرة تخضع لثقلها وضغط السائل من أسفلها، والتوتر السطحي عند منحني التقاء السطح الحر للسائل بالإبرة.

وتعمل هذه القوى معاً على إبقاء الإبرة طافية على سطح الماء، إنما يجب أن تكون الإبرة خفيفة الوزن، ويحرص عند وضعها على سطح الماء أن لا يبتلَّ منها إلا ذلك الجزء الواقع على تماس مع الماء.

وفي الحال التي يلتقي فيها سطح الفصل بين وسطين (مثل الهواء والماء) مع جسم صلب (كجوانب الوعاء الذي يحوي الماء مثلاً)، يجب النظر إلى السطوح المشتركة بين الأوساط المختلفة (الماء مع الهواء، الماء مع الوعاء، الهواء مع الوعاء). وبإجراء الدراسة يتبن أن الزاوية التي يصنعها سطح الفصل (بين الهواء والماء) مع الوعاء ثابتة.

موفق دعبول

مراجع للاستزادة:

 

موفق دعبول، توازن السوائل (مؤسسة الرسالة 1992).

- E.Borchardt, W.Borchardt, Grundriss der Mechanik deformierbarer Medien (Akademie- Verlag Berlin 1971).

---

- التصنيف : الكيمياء و الفيزياء - النوع : علوم - المجلد : المجلدالثامن - رقم الصفحة ضمن المجلد : 727 مشاركة :