Возьмите стакан воды и кусок туалетной бумаги. Если вы держите бумагу вертикально и касаетесь поверхности воды кончиком бумаги, вы можете увидеть, как вода впитывается и поднимается вверх по бумаге. Это восхождение меня интригует. Откуда берется энергия?
Предположительно, многие молекулы воды движутся вверх и приобретают потенциальную энергию. Это должно быть чем-то уравновешено. Я могу придумать несколько вариантов, но не могу сказать, какой именно.
Поверхность любой жидкости имеет связанную энергию на единицу площади, известную как поверхностная энергия, также известная как поверхностное натяжение. Эта энергия является свойством не только жидкости, но жидкости и среды, с которой она контактирует.
В вашем случае у вас были бы связанные поверхностные энергии для интерфейса вода-воздух, , а также для интерфейса вода-бумага, . Полная энергия жидкости в конфигурации представляет собой сумму потенциальной энергии плюс произведение соответствующих поверхностных энергий на их соответствующие площади поверхности, .
Итак, если вы хотите посмотреть на это с точки зрения чисто энергетического баланса, увеличение потенциальной энергии воды, поднимающейся вверх по бумаге, компенсируется уменьшением общей поверхностной энергии. Когда капиллярное действие заставляет вещи подниматься, это происходит потому, что энергия жидкости-твердого тела ниже, чем энергия жидкости-воздуха. Впитываясь в пористый материал, площадь контакта твердое тело-жидкость увеличивается за счет площади контакта жидкость-воздух, что приводит к общему снижению контактной энергии, что приводит к увеличению потенциальной энергии.
Физика, стоящая за этим, — это то же самое капиллярное действие , которое заставляет воду двигаться вверх по узким цилиндрическим каналам.
Папиросная бумага чрезвычайно пористая, но поры достаточно узкие, чтобы сцепление между молекулами воды (фактически обусловленное кулоновским взаимодействием, поскольку молекулы воды полярны) и сцепление между водой и поверхностями пор объединяются, чтобы «поднять» воду. в поры. Адгезия, я думаю, скорее всего, обусловлена водородными связями. В случае со стеклянной трубкой SiO2 на поверхности будут атомы кислорода, с которыми можно связать, и хотя я ничего не знаю о химии бумаги, она органическая, поэтому я уверен, что там есть висящие цепи ОН, с которыми можно связать.
Масса воды, проходящей через каждую пору, на самом деле довольно мала, поэтому, если вы представляете бумагу как набор «идеальных» цилиндрических капилляров, гравитационный потенциал для каждого отдельного столбца очень слабый, и поэтому вода может подняться совсем немного. прежде чем гравитационный потенциал выбьет комбинацию сцепления и сцепления.
(Чтобы дать широкий ответ, я помню, как в старшей школе проводил аккуратный химический эксперимент с методом, основанным на этом эффекте, который называется бумажной хроматографией . )
Редактировать: я немного добавил о возможном микроскопическом происхождении адгезии.
Предыдущий ответ говорит вам, почему вода движется вверх, но не объясняет, откуда берется энергия. Чтобы вода двигалась вверх и, таким образом, приобретала гравитационную потенциальную энергию, вам нужно иметь некоторую потерю энергии где-то еще, чтобы компенсировать ее.
Часть энергии поступает от случайного молекулярного движения тепла, которое расширяет край самой воды вверх по капиллярным трубкам/поверхностям. Таким образом, вода охлаждается по мере подъема из-за уменьшения энергии, необходимой для компенсации уменьшения гравитационной энергии.
Часть этого происходит из-за потери гравитационной энергии в стекле.
Эту часть проблемы можно рассматривать так же, как то, что происходит, когда вы берете пробирку и помещаете ее в ванну, наполненную водой, наполняете пробирку водой, затем переворачиваете ее и вытаскиваете закрытый конец из воды так, чтобы часть воды в закрытом конце трубки поднимается над водой в остальной части ванны. Откуда берется энергия для этого?
Два источника, а не один:
1) Переместите трубку рукой вверх и потяните за конец трубки.
2) Из-за того, что вода в ванне падает вниз по уровню и, таким образом, оставляет меньше гравитационной потенциальной энергии для оставшейся воды в ванне.
Если учесть длинную трубку, помещенную в ванну. Эта вода в трубке поднимется до уровня воды снаружи трубки. Если вы прикрепите конец трубки над водой к закрытому клапану, ведущему в вакуумную камеру, уровень воды останется прежним. Если открыть кран, уровень воды поднимется. Вакуум сам по себе не дает энергии и не может совершать работу, поскольку в нем нет молекул или сил. Что делает работа, так это обмен потенциальной энергией от силы тяжести воды в ванне. Он давит на воду в трубке, заставляя ее подниматься.
Таким образом, для капиллярного действия, которое вы описываете, часть энергии поступает из-за потери потенциальной энергии воды или жидкости вне капиллярной трубки, а часть из-за потери тепла в воде и туалетной бумаге.
Анна В