Vedelike omadused

12. klass > Füüsika > 5. kursus: Mikro- ja megamaailma füüsika

Voolavus

Nagu me teame, säilitab vedelas olekus aine oma ruumala, kuid võtab selle anuma kuju, kuhu ta on valatud.

Ruumala säilitamine näitab, et vedelikumolekulide vahel mõjuvad tõmbejõud – seega on molekulide vaheline kaugus väiksem van der Waals’i jõudude mõjuraadiusest. Need jõud ei lase võnkuval molekulil naabritest eemalduda ning sunnivad teda võnkuma kindla tasakaaluasendi ümber. Tõsi, vedelike puhul ei ole see tasakaaluasend püsiv vaid muutub pidevalt keskmiselt 1 … 100 ps (pikosekundi 1ps = 10-12s) tagant – molekul hüppab ühest tasakaaluasendist teise. Ajavahemik (relaksatsiooniaeg) hüpete vahel sõltub vedelikust ja temperatuurist. Temperatuuri tõustes relaksatsiooniaeg lüheneb.

Niisiis, kui vaadelda vedelikku väikeses ruumipiirkonnas ja väga lühikese ajavahemiku jooksul, võime öelda, et vedelikumolekulid paiknevad ja võnguvad korrapäraselt, kuid suuremas ruumiosas ja pikema vaatlusaja korral on molekulide asend ja liikumine kaootiline.

Vedelikuosakeste vahel mõjuvate van der Waals’i jõudude tõttu pole vedelikud kokku surutavad, molekulide ebapüsiva tasakaaluasendi tõttu aga voolavad.

Vedelike voolavust iseloomustatakse füüsikalise suuruse – viskoossus – abil. Viskoossus on vedelike omadus takistada oma osakeste liikumist üksteise suhtes, seega mida suurem on vedeliku viskoossus, seda halvemini ta voolab. Amorfseid aineid võib lugeda äärmiselt suure viskoossusega vedelikeks.

Pindpinevus

Vedeliku sisemuses asuvatele molekulide mõjuvad jõud erinevad oluliselt vedeliku pinnakihi molekulidele mõjuvatest.

30

Vedeliku sisemuses on molekulid igast küljest naabritega ümbritsetud, nende vahel mõjuvate molekulaarsete jõudude resultant on võrdne (lähedane) nulliga – just väikesed muudatused (fluktuatsioonid) molekulile mõjuvate jõudude resultandis põhjustavadki molekulide „hüppeid“ ja vedelike voolavust.

Pinnakihis on aga osad vedelikumolekulid „puudu“ ning nende asemel on õhu või muu gaasi molekulid. Vedeliku- ja gaasimolekulide vahel mõjuvad molekulaarsed jõud on nii nõrgad, et need võib jätta arvestamata. Seega erineb pinnakihi molekulidele mõjuv resultantjõud nullist ning on suunatud vedeliku sisse risti pinnakihiga.

Kõik vedeliku pinnakihis (paksusega umbes 1 nanomeeter) asuvad molekulid tõmbuvad vedeliku sisemuse poole ning pinnakiht avaldab ülejäänud vedelikule rõhku, mida nimetatakse molekulaarrõhuks, seda põhjustavate molekulaarjõudude resultanti aga pindpinevusjõuks ehk pindpinevuseks.

Nagu kõik jõud, nii võib ka pindpinevusjõud teha tööd. Pindpinevusjõudude poolt vedeliku pinna vähendamiseks tehtavat tööd iseloomustavat suurust nimetatakse pindpinevusteguriks σ (kreeka täht sigma).

31

kus A’ – pindpinevusjõudude töö, ΔS – vedeliku vaba pinna muutus.

Pindpinevustegur iseloomustab pindpinevusjõudude tööd kui vedeliku vaba pind väheneb nende mõjul 1 m2 võrra. Pindpinevusteguri ühikuks on džauli ruutmeetri kohta (1 J/m2). NB! Pindpinevusteguri ühikuna kasutatakse njuutonit-meetri kohta (1N/m):

32

Tööd tehakse alati mingisuguse energia arvelt – pindpinevusjõudude töö energiaallikaks on vedeliku pinnaenergia.

Vastavalt energiamiinimumi printsiibile, püüavad pindpinevusjõud anda vedelikule kuju, mille pinnaenergia oleks antud ruumala juures minimaalne. Saab näidata, et minimaalne välispinna ja ruumala suhe on keral – selle pärast ongi vedelikul, millele ei mõju kõrvalised jõud alati kera kuju.

Vaata ka videot orbitaaljaamas hõljuvast veetilgast:

youtube_video

Märgamine. Kapillaarsus

Kui puutuvad kokku vedelik ja tahke aine, siis nende koostisosakeste vahel mõjuvad molekulaarjõud on palju suuremad kui vedeliku ja gaasiosakeste vahel mõjuvad.

Kui vedeliku ja tahkise osakesed tõmbuvad tugevamini kui vedelikumolekulid omavahel, siis nimetatakse vedelikku seda pinda märgavaks.

Kui vedeliku ja tahkise osakeste vaheline tõmbumine on nõrgem kui vedelikuosakeste vaheline, siis nimetatakse vedelikku selle pinna suhtes mittemärgavaks.

Kas tegu on märgava või mittemärgava vedelikuga, annab märku vedeliku ja tahke pinna (puutujate) vahele moodustuv äärenurk.

34

Kui äärenurk (mõõdetuna vastupäeva pinna ja tilga pinnanormaalide vahel) on teravnurk (ülemine joonis), siis vedelik on pinda märgav (kui äärenurk on null, on tegemist pinda absoluutselt märgava vedelikuga), kui äärenurk on nürinurk (alumine joonis), on vedelik pinda mittemärgav (kui äärenurk on 180° – on tegu pinda absoluutselt mittemärgava vedelikuga).

33

Kui valada vedelikku peenikesse torusse – kapillaari – siis sõltuvalt sellest, kas vedelik on märgav või mittemärgav, moodustavad pindpinevusjõud vedeliku- ja kapillaariosakeste vastastikmõju tulemusena kas kumera (mittemärgav) või nõgusa (märgav) vedeliku pinna – meniski.

Meniski sfäärilisest kujust tulenevalt tekib vedelikule lisarõhk – Laplace’i rõhk, mis võib olla suunatud kas vedeliku sissepoole (kumer pind, mittemärgav vedelik) või vedelikust väljapoole (nõgus pind, märgav vedelik).

35

Tänu taolisele lisarõhule surutakse kapillaaris asuv vedelik võrreldes kapillaarist väljapoole jääva vedelikunivooga kas kõrgemale (märgav vedelik, nõgus menisk) või sügavamale (mittemärgav vedelik, kumer menisk) – vastavat nähtust nimetatakse kapillaarsuseks.

Nivoo kõrguse muutust kapillaaris vedeliku vaba pinna suhtes ehk kapillaartõus arvutatakse valemist:

36

kus h – samba kõrgus kapillaaris, σ – vedeliku pindpinevustegur, ρ – vedeliku tihedus, g – vaba langemise kiirendus, r – kapillaari raadius.

Näeme, et mida jämedam on kapillaar, seda vähem erineb sinna tõmmatava vedelikku nivoo ümbritsevast.

Märgamine ja kapillaarsus looduses

Märgamisel ning kapillaarsusel on looduses ning igapäevaelus suur tähtsus.

Taimede rakud kujutavad endast kapillaartorusid. Maapinnas lahustunud toitainete rikas vesi on neid märgav – nii jõuavadki tänu kapillaarsusele toitained taimede juurtest, kus need imenduvad kuni ladvani välja.

Ka pinnases leidub palju kapillaare – need on seda kitsamad, mida tihedam on pinnas ning nii tõuseb ja aurustub vesi kobestamata pinnases kiiremini kui kobestamata pinnases.

39

Kapillaarsust tuleb arvestada ka ehitusmaterjalide valikul – paljud materjalid (näiteks tellised) on kapillaarsed ning imavad endasse vedelikku – selle vältimiseks tuleb nad katta sobiva vett hülgava kihiga.

Küllap oled nõusid pestes märganud, et väga rasvased nõud ei lähe veega pestes puhtaks – vesi ei märga rasvast pinda. Probleemi lahendab nõudepesuvahendi lisamine – see vähendab vee pindpinevust oluliselt, vesi muutub pinda märgavaks ning rasv eraldub nõudelt. Sama lugu on pesu pesemisega – pesupulber vähendab pindpinevust ning mustus tuleb riidekiudude küljest paremini lahti.

38

Mitmed putukad nagu vesijooksiklased ehk liuskurid saavad liikuda (ja isegi paigal seista) mööda veepinda sellest läbi vajumata, sest nende jalad ei märgu.

37