Кіріспе
Екі сұйықтық арасындағы қысым, сұйықтықтар мен түтік қабырғалары арасындағы күштерден туындайды. Сұйықтықтар статикасында капиллярлық қысым – жұқа түтіктегі екі араласпайтын сұйықтық арасындағы қысым (капиллярлық әрекетке қараңыз), ол сұйықтықтар мен түтік қабырғалары арасындағы күштердің өзара әсерінен пайда болады. Капиллярлық қысым сұйықтықтарды тасымалдау үшін қарсылық немесе итергіш күш ретінде әрекет ете алады және ғылыми зерттеулер мен өнеркәсіптік мақсаттар үшін маңызды қасиет болып табылады (әсіресе микросұйықтықтарды жобалау және кеуекті тау жыныстарынан мұнай өндіру). Бұл құбылыс табиғатта да кездеседі.
In fluid statics, capillary pressure is the pressure between two immiscible fluids in a thin tube (see capillary action), resulting from the interactions of forces between the fluids and solid walls of the tube. Capillary pressure can serve as both an opposing or driving force for fluid transport and is a significant property for research and industrial purposes (namely microfluidic design and oil extraction from porous rock). It is also observed in natural phenomena.
Теңдеулер
Капиллярлық қысым формулалары тепе-теңдіктегі капиллярлық түтікшедегі екі сұйық фаза арасындағы қысым байланысынан туындайды, яғни жоғары бағытталған күш = төмен бағытталған күш. Бұл күштер мына түрде сипатталады:
Өлшеу әдістері
Микроканалдардағы капиллярлық қысымды физикалық өлшеу әдістері, микрофлюидикадағы қысымды дәл өлшеу қажеттігіне қарамастан, толыққанды зерттелмеген. Микрофлюидикалық құрылғылардағы қысымды өлшеудегі басты мәселе – сұйықтықтың көлемі стандартты қысымды өлшеу құралдарында пайдалануға тым кішкентай. Кейбір зерттеулерде өлшемін өзгертетін қысым сенсорлары болып табылатын микрошарлар қолданылған. Сонымен қатар, дәстүрлі түрде қан қысымын өлшеу үшін қолданылатын серво-нөлдеу әдісі, LabVIEW басқару жүйесінің көмегімен микрофлюидикалық каналдардағы қысым туралы мәліметтер беруге мүмкіндігі дәлелденді. Аталған әдісте микропипетка микроканал сұйықтығына енгізіліп, сұйықтық меніскенің өзгеруіне жауап беру үшін бағдарламаланады. Микропипеттегі сұйықтық меніскенінің орын ауыстыруы кернеудің төмендеуіне себеп болады, ол бастапқы меніскенің орнына келтіру үшін сорғыны іске қосады. Сорғының көрсеткен қысымы микроканал ішіндегі қысым ретінде интерпретацияланады.
Мысалдар
Қазіргі зерттеулер микрофлюидика саласында күтім орнындағы диагностиканы және жасушаларды сұрыптау техникаларын (мысалы, «чиптегі зертхана») әзірлеуге, сондай-ақ жасушалардың мінез-құлқын түсінуге (мысалы, жасушалардың өсуі, жасушалардың қартаюы) бағытталған. Диагностика саласында бүйірлік ағынды сынақ – бұл капиллярлық күштерді пайдаланып, сұйықтықты кеуекті мембрана арқылы тасымалдауды қамтамасыз ететін, кең таралған микрофлюидтік құрылғы платформасы. Ең танымал бүйірлік ағынды сынақ – үйге арналған жүктілік сынағы, онда дене сұйықтығы бастапқыда ылғалданып, содан кейін, көбінесе целлюлоза немесе шыны талшықтан тұратын кеуекті мембрана арқылы ағып, оң немесе теріс сигналды көрсету үшін тұтқындау жолына жетеді. Бұл конструкцияның және басқа да микрофлюидтік құрылғылардың артықшылығы – оның қарапайымдылығы (мысалы, жұмыс істеу кезінде адамның араласуының қажет болмауы) және төмен құны. Дегенмен, бұл сынақтардың кемшілігі – капиллярлық әрекет басталғаннан кейін бақылауға келмейді, сондықтан сынақ уақытын жылдамдатуға немесе баяулатуға болмайды (егер сұйықтық ағыны кезінде уақытқа тәуелді процестер жүргізілуі керек болса, бұл қиындық тудыруы мүмкін). Капиллярлық қысымға байланысты жобалау элементін қамтитын күтім орнындағы жұмыстың тағы бір мысалы – плазманы толық қаннан кеуекті мембрана арқылы сүзу арқылы бөлу. Жұқпалы ауруларды диагностикалау үшін, мысалы, ВИЧ вирустық жүктемесін анықтау үшін плазманы толық қаннан тиімді және үлкен көлемде бөлу жиі қажет болады. Алайда, бұл міндет көбінесе центрифугалау арқылы орындалады, ол клиникалық зертхана жағдайларымен шектеледі. Мұндай күтім орнындағы сүзгілеу құрылғысының мысалы – қаптамалы төсек сүзгісі, ол мембрана тесіктеріндегі асимметриялық капиллярлық күштерді пайдаланып плазма мен толық қанды бөлуге қабілетті екенін көрсетті.
Мұнай-химия өнеркәсібі
Капиллярлық қысым жер астындағы көмірсутектерді (мысалы, мұнай немесе табиғи газды) кеуекті резервуарлық тау жыныстарынан алуда маңызды рөл атқарады. Оның өлшемдері резервуардағы сұйықтықтардың қанығуын және қабаттасқан тау жыныстарының тығыздау қабілетін болжау үшін, сондай-ақ салыстырмалы өткізгіштікті (екінші араласпайтын сұйықтық қатысында сұйықтықтың тасымалдану қабілеті) бағалау үшін пайдаланылады. Резервуардың осы геологиялық қасиеттерін түсіну оның дамуы, өндірісі және басқаруы үшін өте маңызды (мысалы, көмірсутектерді қаншалықты оңай алуға болады). Deepwater Horizon мұнай төгілуі – мұнай-химия өнеркәсібі үшін капиллярлық қысымның маңыздылығын көрсететін мысал. 2010 жылы Мексика шығанағында Deepwater Horizon мұнай платформасының жарылысы кезінде метан газының жақында орнатылған тығыздағыштан өтіп, платформадан сыртқа тарағаны болжануда. Капилярлық қысымды зерттеулер (немесе олардың болмауы) осы мұнай төгілуінің түпкі себебі болмаса да, капиллярлық қысымды өлшеу Deepwater Horizon оқиғасында қабылданған инженерлік шешімдерге әсер еткен резервуар қасиеттерін түсіну үшін маңызды ақпарат береді. Мұнай инженериясында капиллярлық қысым көбінесе зертханада модельделеді, онда ол тепе-теңдік орнату үшін ылғалданған фазаны ылғалданбаған фазамен ығыстыруға қажетті қысым ретінде тіркеледі. Анықтама үшін, ауа мен тұздықтың (мұнай-химия өнеркәсібінде маңызды жүйе) арасындағы капиллярлық қысым 0,67 мен 9,5 МПа аралығында болатыны көрсетілген. Мұнай және газ өнеркәсібінде капиллярлық қысым байланыстарын болжау, өлшеу немесе есептеудің әртүрлі әдістері бар. Олардың ішінде:
Леверетт J-функциясы
Леверет J функциясы капиллярлық қысым мен тесік құрылымы арасындағы қатынасты анықтау үшін қолданылады (Леверет J функциясын қараңыз).
Жиде инъекциясы
Бұл әдіс дұрыс емес пішіндес тау жынысы үлгілеріне (мысалы, бұрғылау кесінділерінен табылғандары) өте қолайлы және капиллярлық қысым мен үлгінің кеуекті құрылымы арасындағы байланысты түсіну үшін әдетте қолданылады. Бұл әдісте тау жынысының порылары вакуумдалады, содан кейін сынап қысымды жоғарылату арқылы порыларды толтырады. Осы аралықта, әрбір қысымдағы сынаптың көлемі тіркеледі және поралардың мөлшері бойынша үлестірілім түрінде ұсынылады немесе тиісті мұнай/газ деректеріне түрлендіріледі. Бұл әдістің бір кемшілігі – ол сұйықтық беттерінің өзара әрекеттесуін ескермейді. Дегенмен, сынапты енгізу және деректерді жинау процесінің барлығы басқа әдістерге қарағанда жылдам жүреді. Басқа әдістерге бу қысымы әдісі, гравитациялық тепе-теңдік әдісі, динамикалық әдіс, жартылай динамикалық әдіс және уақытша әдіс жатады.
Капилярлық қысым мен су толығу қисықтарының орташасы
Дәлелденгендей, резервуарлық симуляторлар қанығу биіктігін модельдеу есептерінде біріншілік дренаж капиллярлық қысым деректерін қолданса, осы біріншілік дренаж капиллярлық қысым деректері су қанығулары орташаланғандай орташалануы керек. Сондай-ақ, резервуарлық симуляторлар сұйықтардың ығысуын есептеу үшін имбибиция және екіншілік дренаж капиллярлық қысым деректерін пайдаланса, осы капиллярлық қысымдар біріншілік дренаж капиллярлық қысым деректері сияқты орташаланбауы тиіс. Оларды Leverett J функциясы арқылы орташалауға болады. Орташалау формулалары төменде келтірілген:
негізгі дренаж капиллярлық қысымының орташа көрсеткіші мен нормаланған қанығу деректері
мұндағы – өзектік үлгілер саны, тиімді кеуектілігі, үлгінің жалпы көлемі және бастапқы дренаж капиллярлық қысым деректері нормаланған су қанығуына тәуелділігі.
Имбибиция және екіншілік дренаж капиллярлық қысымының орташа көрсеткіші нормаланған қанығу деректерімен салыстырғанда
мұндағы – өзектік үлгілер саны, тиімді кеуектілігі, абсолютті өткізгіштігі, интерфейстік кернеу немесе IFT, және имбибиция немесе екіншілік дренаж капиллярлық қысым деректері нормаланған су қанығуына қарсы.
Қан айналым жүйесі
Қан айналымы жүйесіндегі капиллярлар организмге қоректік заттар жеткізілуі және қалдықтардың шығарылуы үшін маңызды. Капиллярларда гидростатикалық және онкотикалық қысымдарға байланысты қысым градиенттері бар, олар капиллярлық деңгейде қан ағынын реттейді және нәтижесінде капиллярлық алмасу процестеріне (мысалы, сұйықтық ағыны) әсер етеді. Технологиялық және дене құрылымының шектеулеріне байланысты капиллярлық қызметті зерттеу көбінесе торсық қабығы, ерін және теріде жүргізіледі, дәстүрлі түрде кануляция немесе серво-нөлдеу жүйесі арқылы. Капиляроскопия терідегі капиллярларды 2D форматта визуализациялау үшін қолданылады және адамдарда капиллярлық қысымның орташа диапазоны 10,5-тен 22,5 мм сынқ. бағ. дейін екені, сондай-ақ 1-типті диабет және гипертониясы бар адамдарда қысымның артуы анықталды. Қан айналымы жүйесінің басқа компоненттерімен салыстырғанда капиллярлық қысым төмен болады, бұл жарылудың алдын алу үшін, бірақ капиллярлық функцияларды жеңілдету үшін жеткілікті.