सतही तनाव और कैपिलेरिटी

द्रव गतिकी में सतही तनाव और कैपिलेरिटी की अवधारणाओं को समझना आवश्यक है क्योंकि वे कई दैनिक अवलोकनों और प्राकृतिक घटनाओं को बताते हैं। ये अवधारणाएँ न केवल हमें यह बताती हैं कि द्रव सतहों के साथ कैसे संपर्क बनाते हैं, बल्कि द्रव के अंदर कार्य कर रही शक्तियों के बारे में भी जानकारी देती हैं। निम्नलिखित पाठ में द्रव गतिकी के इन दो रोचक पहलुओं की खोज की गई है।

सतही तनाव क्या है?

सतही तनाव द्रव सतहों की एक विशेषता है जो उन्हें एक खिंची हुई लोचदार झिल्ली जैसे 'महसूस' कराता है। यह घटना द्रव अणुओं के बीच मिलनशील शक्तियों के कारण होती है। सतही तनाव तरल बूंदों के आकार और कीटों के लिए पानी पर चलने की क्षमता के लिए जिम्मेदार होता है, साथ ही कई अन्य प्रभाव भी।

अणु स्तर पर, द्रव के अंदर का प्रत्येक अणु पड़ोसी अणुओं द्वारा हर दिशा में समान रूप से खींचा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप शुद्ध शक्ति शून्य होती है। हालाँकि, द्रव की सतह पर एक अणु के चारों ओर अन्य अणु नहीं होते हैं; यह केवल इसके नीचे के अणुओं से महत्वपूर्ण बल का अनुभव करता है। यह असंतुलन सतह को संकुचित करता है और सतह के क्षेत्र को कम करता है, जो सतही तनाव के रूप में हम जो घटना देखते हैं उसमें योगदान देता है।

ऊपर के चित्रण में, लाल रेखाएँ सतह अणु पर कार्य कर रही शक्तियों को इंगित करती हैं जो अंदर की ओर निर्देशित होती हैं, जिससे 'खिंची' सतह का प्रभाव होता है।

सतही तनाव के गणितीय पहलू

सतही तनाव (जिसे σ या T द्वारा दर्शाया जाता है) आमतौर पर न्यूटन प्रति मीटर (N/m) में मापा जाता है। इसे एक इकाई क्षेत्र को द्रव के सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए आवश्यक ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। एक वैकल्पिक परिभाषा है सतह के लंबवत रेखा के साथ प्रति इकाई लंबाई पर लगाया गया बल।

गणितीय रूप से, सतही तनाव को निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:

σ = F/L

जहाँ F बल है और L संपर्क लंबाई है।

सतही तनाव के उदाहरण

सतही तनाव का सबसे सरल उदाहरण एक मोम लगी हुई कार पर जल बूंदें हैं। मोम जल विकर्षी (जल को दूर करने वाला) होता है, इसलिए जब जल को उसकी सतह पर रखा जाता है, तब द्रव के अंदर की मिलनशील शक्तियाँ उसे बूंदों का रूप देती हैं, सतह के साथ संपर्क और द्रव के सतह क्षेत्र को न्यूनतम करती भूमिका निभाती हैं।

एक अन्य सामान्य उदाहरण यह है कि एक छोटी सी सुई पानी की सतह पर तैरने की क्षमता भी रखती है, भले ही यह पानी से अधिक घनी हो। पानी में मौजूद सतही तनाव कुशलतापूर्वक सुई को समर्थन देता है, सतह पर एक "त्वचा" प्रभाव बनाता है।

कैपिलेरिटी क्या है?

कैपिलेरिटी या केशिका क्रिया एक द्रव की क्षमता होती है जो संकरी जगहों के माध्यम से बाहरी शक्तियों जैसे गुरुत्वाकर्षण के बिना या उनके विपरीत प्रवाहित होती है। यह व्यवहार तब देखा जाता है जब एक द्रव एक पतली नली, छिद्रदार सामग्री या किसी अन्य प्रतिबंधित स्थान के माध्यम से ऊपर उठता है।

कैपिलेरिटी की व्याख्या

कैपिलेरिटी द्रव और नली या छिद्रपूर्ण पदार्थ की दीवारों के बीच मिलनशील शक्तियों के कारण होती है, साथ ही द्रव के सतही तनाव से भी होती है। मिलनशील शक्तियाँ विभिन्न पदार्थों के अणुओं के बीच आकर्षण को दर्शाती हैं, जैसे कि एक केशिका नली में जल अणुओं और कांच के अणुओं के बीच।

जब द्रव और नली की सामग्री के बीच मिलनशील शक्तियाँ द्रव के भीतर मिलने वाली शक्तियों से अधिक मजबूत होती हैं, तब द्रव नली में ऊपर उठेगा। इसके विपरीत, यदि मिलनशील शक्तियाँ हावी होती हैं, तो द्रव गिरेगा, या सतह अवतल हो जाएगी।

कैपिलेरिटी का गणित

एक केशिका नली में द्रव कितनी ऊँचाई तक उठेगा, उसे निम्नलिखित सूत्र द्वारा दिया जाता है:

h = (2σcosθ) / (ρgr)

जहाँ:

• h वह ऊँचाई है जितनी ऊँचाई तक द्रव उठता है।
• σ द्रव का सतही तनाव है।
• θ द्रव और नली की सतह के बीच का संपर्क कोण है।
• ρ द्रव का घनत्व है।
• g गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण है।
• r नली की त्रिज्या है।

कैपिलेरिटी के उदाहरण

कैपिलेरिटी कैसे काम करती है, इसका एक क्लासिक उदाहरण एक पतली गिलास की नली है, जैसे कि एक स्ट्रॉ, जिसे पानी में रखा जाता है। केशिका प्रभाव स्ट्रॉ के अंदर पानी को बाहर के जल स्तर से ऊँचा उठाने का कारण बनाता है।

कैपिलेरिटी पौधों के पानी को जड़ों से लेकर उनकी पतली पत्तियों के छिद्रों तक पहुंचाने में भी महत्वपूर्ण होती है। केशिका नलिका कहलाने वाली पतली नलियों के माध्यम से, पानी गुरुत्वाकर्षण के खिलाफ ऊपर खींचा जाता है, जो पूरे पौधे को नमी और पोषक तत्व प्रदान करने में मदद करता है।

सतही तनाव और कैपिलेरिटी की तुलना

सतही तनाव और कैपिलेरिटी दोनों में तरल पदार्थ की सतह पर होने वाली बातचीत शामिल होती है, लेकिन वे विभिन्न पहलुओं पर केंद्रित होते हैं:

• सतही तनाव: यह एक द्रव में मिलनशील अणुओं के बीच की मिलनशील शक्तियों पर जोर देता है, जो सतह को एक खिंची हुई झिल्ली की तरह काम करने के लिए मजबूर करता है।
• कैपिलेरिटी: इसमें द्रव के अंदर की मिलनशील शक्तियाँ और द्रव और बाहरी सतह के बीच मिलनशील शक्तियाँ शामिल होती हैं, जो संकरी जगहों में होने वाली घटनाओं के लिए प्रासंगिक होती हैं।

इन अवधारणाओं को समझने से हमें यह समझने में मदद मिलती है कि कुछ वस्तुएँ कैसे तैरती हैं, द्रव बूंदों का निर्माण क्यों होता है, पौधे कैसे पानी पीते हैं, और प्रकृति और उद्योग में कई अन्य घटनाएँ कैसे होती हैं।

निष्कर्ष

सतही तनाव और कैपिलेरिटी आणविक बलों की शक्ति और उनके प्राकृतिक और व्यावहारिक अनुप्रयोगों पर महत्वपूर्ण प्रभाव को प्रदर्शित करते हैं। कई स्थितियों में, ये बल बड़े पैमाने पर इंटरैक्शन में अपेक्षित बलों को चुनौती देते हैं, द्रव के गतिशील और जटिल व्यवहार का प्रदर्शन करते हैं।

सतही तनाव और कैपिलेरिटी के सिद्धांतों को समझकर, हम अपने दैनिक जीवन में हमारे चारों ओर हो रही अद्भुत घटनाओं की गहरी समझ प्राप्त कर सकते हैं, और द्रव गतिशीलता और इंजीनियरिंग में अधिक उन्नत विषयों को समझने की नींव रख सकते हैं।

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