तरल यांत्रिकी - केंद्रण वृद्धि को समझना

क्या आपने कभी देखा है कि पतली ट्यूबें कैसे तरल को ऊपर खींचती हैं, जो कि प्रतीत होता है कि वह गुरुत्वाकर्षण का उल्लंघन कर रही हैं? यह आश्चर्यजनक घटना कैपिलरी राइज के नाम से जानी जाती है, जो तरल यांत्रिकी में एक मौलिक सिद्धांत है। कैपिलरी राइज के कई क्षेत्रों में गहरा उपयोग है, जैसे मिट्टी विज्ञान से लेकर जैव चिकित्सा इंजीनियरिंग तक। चाहे आप एक वैज्ञानिक हों, एक इंजीनियर हों, या बस जिज्ञासु हों, कैपिलरी राइज को समझना परिवर्तनकारी हो सकता है।

कैपिलरी वृद्धि: एक सरल परिभाषा

कैपिलरी वृद्धि तब होती है जब कोई तरल एक संकीर्ण ट्यूब या कैपिलरी में चढ़ता है, जो तरल के अणुओं और ट्यूब की दीवारों के बीच के चिपकने वाले बल के कारण होता है, जिसे तरल अणुओं के बीच के सहायक बलों के साथ मिलाकर गिना जाता है। तरल की जो ऊँचाई होती है, वह इसकी सतह तनाव, ट्यूब का व्यास और तरल के गुणों द्वारा निर्धारित होती है।

कैपिलरी वृद्धि का सूत्र

कैपिलरी वृद्धि की माप करने के लिए, हम निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करते हैं:

h = (2 * γ * cos(θ)) / (ρ * g * r)

सूत्र को तोड़ना

आइए इस सूत्र के प्रत्येक घटक में गहराई से जाएं ताकि इसके निहितार्थों को समझा जा सके:

• hयह उस ऊँचाई का प्रतिनिधित्व करता है जिस पर तरल कैपिलरी ट्यूब में उठता है और इसे मीटर (मी) में मापा जाता है।
• γतरल का सतही तनाव, जो न्‍यूटन प्रति मीटर (N/m) में मापा जाता है। सतही तनाव वह प्रवृत्ति है जिसमें तरल की सतहें न्यूनतम सतह क्षेत्र में सिकुड़ने की कोशिश करती हैं।
• θतरल और ट्यूब की सतह के बीच संपर्क कोण, जो डिग्री में मापा जाता है।
• ρतरल का घनत्व, किलोग्राम प्रति घन मीटर (किलोग्राम/मी) में मापा जाता है³)।
• गगुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण, अनुमानतः 9.81 मीटर प्रति सेकंड वर्ग (m/s²)²)।
• अनुवादकैपिलरी ट्यूब का त्रिज्या, मीटर (m) में मापा गया।

वास्तविक जीवन का उदाहरण

कल्पना करें कि एक प्रयोगशाला प्रयोग है जहाँ आप एक कांच की नली में पानी की केपिलरी वृद्धि निर्धारित करना चाहते हैं। मान लीजिए कि पानी की सतह तनाव (γ) 0.0728 N/m है, संपर्क कोण (θ) 0 डिग्री है, और पानी की घनत्व (ρ) 1000 kg/m है।³और कांच की ट्यूब का त्रिज्या (r) 0.001 मीटर है। हम कैपिलरी उगाई (h) को निम्नलिखित तरीके से गणना कर सकते हैं:

h = (2 * 0.0728 N/m * cos(0 डिग्री)) / (1000 किग्रा/मी3 9.81 मीटर/सेकंड2 * 0.001 मीटर) h = 0.0148 मीटर

इस परिदृश्य में, पानी लगभग 0.0148 मीटर या 14.8 मिलीमीटर की ऊँचाई तक कैपिलरी के भीतर उठता है।

व्यावहारिक अनुप्रयोग

• कृषिकपिलरी उभार को समझना कुशल irrigationsystem के डिजाइन में मदद करता है, क्योंकि यह मिट्टी की नमी वितरण को प्रभावित करता है।
• जैव चिकित्सा इंजीनियरिंगकैपिलरी क्रिया का उपयोग माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में किया जाता है, जो लैब-ऑन-ए-चिप तकनीकों के लिए महत्वपूर्ण हैं।
• इंकजेट प्रिंटिंगकपिलरी कार्रवाई कागज पर स्याही की निरंतर आपूर्ति में मदद करती है।
• सामग्री विज्ञानयह छिद्रयुक्त सामग्रियों के गुणों का अध्ययन करने में सहायक है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

सतह तनाव का कैपिलरी वृद्धि में क्या भूमिका है?

पृष्ठ तनाव कैपिलरी वृद्धि के पीछे का प्रवाहकारी बल है। यह तरल के अणुओं को ट्यूब की दीवारों की ओर खींचता है, जिससे तरल ऊपर चढ़ता है।

नली के व्यास का कैपिलरी उठान पर क्या प्रभाव पड़ता है?

नलिका का व्यास जितना छोटा होगा, कैपिलरी वृद्धि उतनी ही अधिक होगी। इसका कारण यह है कि छोटे व्यास से तरल और नलिका के बीच का संपर्क क्षेत्र बढ़ता है, जिससे आत्मीय बलों में वृद्धि होती है।

क्या कैपिलरी वृद्धि सभी तरल पदार्थों में हो सकती है?

नहीं, कैपिलरी ऊँचाई तरल और ट्यूब की सतह के बीच की अंतःक्रिया पर निर्भर करती है। यदि तरल और सतह के बीच का चिपकने वाला बल कमजोर है, तो कैपिलरी ऊँचाई नहीं हो सकती, या तरल को दबाया भी जा सकता है।

यदि संपर्क कोण 90 डिग्री से अधिक है, तो इसका मतलब है कि तरल पदार्थ की बूंद सतह पर अच्छी तरह से फैलने में असमर्थ है। यह एक हाइड्रोफोबिक सतह का संकेत है, जहां तरल बूंद अधिक गोल होती है और सतह को नहीं भेदती। इस स्थिति में, सतह की शक्ति संपर्क को कम करती है, जिससे तरल बूंद सतह से दूर रह जाती है।

यदि संपर्क कोण 90 डिग्री से अधिक है, तो तरल नहीं उठेगा; बल्कि, यह तरल अणुओं के बीच प्रबल समग्र बलों के कारण अवनति होगा।

सारांश

कैपिलरी ऊंचाई एक आकर्षक घटना है जो सतह तनाव, नली का व्यास, संपर्क कोण और तरल घनत्व द्वारा निर्मित होती है। इसका समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है, इसके व्यावहारिक अनुप्रयोग कृषि, जैव चिकित्सा इंजीनियरिंग, प्रिंटिंग और सामग्री विज्ञान तक फैले हुए हैं। सूत्र और इसके पैरामीटर को समझकर, कोई संकीर्ण नलियों में तरल पदार्थ के व्यवहार की सटीक भविष्यवाणी कर सकता है।