ปรากฏการณ์แคพิลลารีกับหลอดแคพิลลารี (Capillary)

เมื่อเพ่งพินิจพิจารณาผิวของของเหลวที่อยู่นิ่งในภาชนะโดยเฉพาะบริเวณที่ของเหลวสัมผัสกับภาชนะหรือพื้นที่รองรับของเหลว จะเห็นได้ว่าผิวของของเหลวจะโค้งอาจโค้งเว้าหรือโค้งนูน เหตุใดผิวของของเหลวต้องโค้ง มาไขปริศนากัน

ลักษณะที่ผิวของของเหลวโค้งที่บริเวณผิวสัมผัสกับผิวภาชนะ เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การโค้งของผิวของเหลว (Meniscus Effect) ปรากฏการณ์นี้เกิดจากแรงระหว่างโมเลกุล (intermolecular force) สองชนิดคือ แรงเชื่อมแน่น (Cohesive Force) ซึ่งเป็นแรงระหว่างโมเลกุลชนิดเดียวกัน และแรงยึดติด (adhesive force) ซึ่งเป็นแรงระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกัน จากรูป ก. เมื่อแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของน้ำกับโมเลกุลของแก้วมากกว่าแรงเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำที่อยู่บริเวณผิวที่สัมผัสกับแก้วจึงถูกดึงขึ้นไปตามผิวแก้ว ดังนั้น ผิวน้ำจึงโค้งเว้า และในกรณีนี้น้ำเปียกแก้ว แต่ในรูป ข. เมื่อแรงเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของปรอทมากกว่าแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของปรอทกับโมเลกุลของแก้ว โมเลกุลของปรอทบริเวณผิวที่สัมผัสกับผิวแก้ว จึงถูกดึงลงไปตามผิวแก้ว ดังนั้น ผิวปรอทจึงโค้งนูน และในกรณีนี้ปรอทไม่เปียกแก้ว

เมื่อจุ่มปลายข้างหนึ่งของหลอดรูเล็ก (Capillary Tube ) ซึ่งเป็นหลอดแก้วที่มีปลายเปิดทั้งสองข้างและมีเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยมาก (เช่น ประมาณ 0.1 มิลลิเมตร) ลงในของเหลว จะพบว่าระดับของเหลวในหลอดสูงหรือต่ำกว่าระดับของเหลวภายนอกหลอด ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การซึมตามรูเล็ก (Capillary Action หรือ Capillarity)  เช่น จุ่มปลายข้างหนึ่งของหลอดรูเล็กลงในน้ำและปรอท จะพบว่าระดับน้ำในหลอดสูงกว่าระดับน้ำนอกหลอด ส่วนระดับปรอทในหลอดต่ำกว่าระดับปรอทภายนอกหลอด ดังรูป

เมื่อพิจารณาความสูงของของเหลวในหลอดรูเล็ก จะเห็นได้ดังนี้

คือ  แรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของน้ำกับโมเลกุลของแก้ว

มุม θ คือ  มุมสัมผัสของของเหลวเป็นมุมที่แรง  ซึ่งมีทิศขนานกับผิวของของเหลวกระทำกับผิวแก้ว

คือ มวลของของเหลวในหลอดที่ขึ้นไปสูง h จากผิวนอกของหลอด

เมื่อของเหลวสมดุลจะได้

จากสมการที่ (1) จะเห็นได้ว่า ความสูง h ของของเหลวขึ้นกับ (ความตึงผิว)  (ความหนาแน่นของของเหลว) R (รัศมีของหลอด) และที่สำคัญคือ  cosθ ซึ่งมีค่าเป็นได้ทั้งบวกและลบ คือ

กรณีที่ 1 :  ถ้า 0 < θ < 90 ํ   →  cosθ เป็นบวก จะทำให้ h ในหลอดสูงกว่านอกหลอด

กรณีที่ 2 :  ถ้า 90 ํ < θ < 180 ํ   →  cosθ เป็นลบ จะทำให้ h ในหลอดต่ำกว่านอกหลอด

น้ำเป็นตัวอย่างของกรณีที่ 1 และปรอทเป็นตัวอย่างของกรณีที่ 2 ปรากฏการณ์ Capillarity เป็นเหตุให้น้ำซึมเข้าไปในเนื้อผ้าผ่านช่องว่างระหว่างเส้นใยซึ่งเล็กทำให้ผ้าเปียกเราจึงซักผ้าชำระคราบได้ หรือการส่งเลือดผ่านเส้นเลือดฝอยของคนและสัตว์ การซึมของน้ำจากรากพืชขึ้นไปตามลำต้นโดยใช้ท่อไซเลม (Xylem) หรือท่อส่งน้ำของพืช

นี่คือมหัศจรรย์แห่ง Capillarity ของหลอด Capillary