- Característiques de la capil·laritat
- -Superfície de el líquid
- Forces d'adhesió i cohesió
- -Altura
- Llei de Jurin
- Tensió superficial
- Relació amb h
- -Ràdio de l'capil·lar o porus per on ascendeix el líquid
- Llei de Poiseuille
- -Angle de contacte (θ)
- Capil·laritat de l'aigua
- A les plantes
- referències
La capil·laritat és una propietat dels líquids que els permet desplaçar-se per orificis tubulars o superfícies poroses i tot en contra de la força de gravetat. Per a això, ha d'haver un equilibri i coordinació de dues forces relacionades amb les molècules de el líquid: cohesió i adhesió; tenint aquestes dues un reflex físic anomenat tensió superficial.
El líquid necessita poder mullar les parets internes de l'tub o els porus de l'material pel qual es desplaça. Això passa quan la força d'adhesió (líquid-paret de l'tub capil·lar) és més gran que la força de cohesió intermolecular. En conseqüència, les molècules de el líquid creen interaccions més fortes amb els àtoms de l'material (vidre, paper, etc.) que entre elles.
Font: MesserWoland via Wikipedia
L'exemple clàssic de capil·laritat ve il·lustrat en la comparació d'aquesta propietat per dos líquids molt diferents: l'aigua i mercuri.
A la imatge superior s'aprecia que l'aigua si puja per les parets de l'tub, el que significa que presenta majors forces d'adhesió; mentre que amb el mercuri passa tot el contrari, a causa de que les seves forces de cohesió, d'enllaç metàl·lic, li impedeix mullar el vidre.
És per això que l'aigua forma un menisc còncau, i el mercuri un menisc convex (amb forma de dom). Així mateix cal ressaltar que mentre menor sigui el radi de l'tub o la secció per la qual es desplaça el líquid, més gran serà l'altura o distància recorreguda (compari les altures de les columnes d'aigua per a tots dos tubs).
Característiques de la capil·laritat
-Superfície de el líquid
La superfície de el líquid, a dir aigua, en un capil·lar és còncava; és a dir, el menisc és còncau. Aquesta situació es produeix perquè la resultant de les forces que s'exerceixen sobre les molècules d'aigua pròximes a la paret de l'tub està dirigida cap a aquesta.
En tot menisc ha un angle de contacte (θ), el qual és l'angle que forma la paret de l'tub capil·lar amb una línia tangent a la superfície de el líquid en el punt de contacte.
Forces d'adhesió i cohesió
Si la força d'adhesió de el líquid a la paret capil·lar preval sobre la força de cohesió intermolecular, llavors l'angle és θ <90º; el líquid mulla la paret capil·lar i l'aigua puja pel capil·lar, observant el fenomen conegut com capil·laritat.
Quan es col·loca una gota d'aigua sobre la superfície d'un vidre net, l'aigua s'estén sobre el vidre, de manera que θ = 0 i el cos θ = 1.
Si la força de cohesió intermolecular preval sobre la força d'adhesió líquid-paret de l'capil·lar, per exemple en el mercuri, el menisc serà convex i l'angle θ tindrà un valor> 90º; el mercuri no mulla la paret capil·lar i per tant descendeix per la seva paret interna.
Quan es col·loca una gota de mercuri sobre la superfície d'un vidre net, la gota manté la seva forma i l'angle θ = 140º.
-Altura
L'aigua puja pel tub capil·lar fins a aconseguir una altura (h), en la qual el pes de la columna d'aigua compensa a l'component vertical de la força de cohesió intermolecular.
A mesura que ascendeix més aigua, arribarà un punt on la gravetat aturarà el seu ascens, tot i la tensió superficial obrant al seu favor.
Quan això passa, les molècules no poden continuar "grimpant" per les parets internes, i totes les forces físiques s'igualen. D'una banda es tenen les forces que promouen l'ascens de l'aigua, i per l'altre el seu propi pes empenyent-la cap avall.
Llei de Jurin
Això pot escriure matemàticament com segueix a continuació:
2 π rΥcosθ = ρgπr 2 h
On el costat esquerre de l'equació depèn de la tensió superficial, la magnitud així mateix es relaciona amb les forces de cohesió o intermoleculars; Cosθ representa l'angle de contacte, i r el radi de l'orifici pel qual ascendeix el líquid.
I en el costat dret de l'equació es té l'altura h, la força de gravetat g, i la densitat de el líquid; que vindria a ser la de l'aigua.
Si aïllem llavors h es té
h = (2Υcosθ / ρgr)
Aquesta formulació és coneguda com a Llei de Jurin, que defineix l'altura aconseguida per la columna de líquid, en el tub capil·lar, quan s'equilibra el pes de la columna de líquid amb la força d'ascensió per capil·laritat.
Tensió superficial
L'aigua és una molècula dipolar, a causa de l'electronegativitat de l'àtom d'oxigen i la seva geometria molecular. Això fa que la porció de la molècula d'aigua on està ubicat l'oxigen es carregui negativament, mentre la porció de la molècula d'aigua, contentiva dels 2 àtoms d'hidrogen, es carrega positivament.
Les molècules en el si de el líquid interaccionen gràcies a això mitjançant múltiples ponts d'hidrogen, mantenint-unides. No obstant això, les molècules d'aigua que són a la interfase aigua: aire (superfície), estan sotmeses a una atracció neta per les molècules de el si de el líquid, no compensada per la feble atracció amb les molècules d'aire.
Per tant, les molècules d'aigua de la interfície estan sotmeses a una força d'atracció que tendeix a retirar molècules d'aigua de la interfase; és a dir, els ponts d'hidrogen formats amb les molècules de el fons arrossega les que es troben en la superfície. Així, la tensió superficial busca disminuir la superfície de la interfase aigua: aire.
Relació amb h
Si s'observa l'equació de la llei de Jurin, es trobarà que h és directament proporcional a Υ; per tant, quant més gran sigui la tensió superficial de el líquid, més gran serà l'altura que pugui ascendir per un capil·lar o porus d'un material.
D'aquesta manera cal esperar-se que per dos líquids, A i B, amb tensions superficials diferents, aquell amb major tensió superficial ascendeixi a una alçada més gran.
Es pot concloure respecte a aquest punt que una tensió superficial alta és la característica més important que defineix la propietat de capil·laritat d'un líquid.
-Ràdio de l'capil·lar o porus per on ascendeix el líquid
L'observació de la Llei de Jurin assenyala que l'altura que arriba a un líquid en un capil·lar o porus és inversament proporcional a el radi dels mateixos.
Per tant, mentre més baix sigui el radi, més gran serà l'altura que arribi a la columna de el líquid per capil·laritat. Això pot observar-se directament en la imatge on es compara l'aigua amb el mercuri.
En un tub de vidre amb un radi de 0,05 mm de radi, la columna d'aigua per capil·laritat arribarà a una alçada de 30 cm. En els tubs capil·lars amb un radi de 1 micres amb una pressió de succió de 1,5 x 10 3 hPa (el que és igual a 1,5 atm) correspon a un càlcul de l'altura de la columna d'aigua de 14 a 15 m.
Això és molt similar al que passa amb aquestes palletes que donen voltes en si mateixa diverses vegades. A l'xuclar el líquid, es crea una diferència de pressió que fa que el líquid pugi fins a la boca.
El valor d'alçada màxima de la columna aconseguida per capil·laritat és teòric, ja que el radi dels capil·lars no pot ser reduït més enllà d'un cert límit.
Llei de Poiseuille
Aquesta estableix que el flux d'un líquid real ve donat per l'expressió següent:
Q = (πr 4 / 8ηl) Ap
On Q és el flux de el líquid, η és la seva viscositat, l la longitud de l'tub, i Ap la diferència de pressió.
A l'disminuir el radi d'un capil·lar, hauria d'augmentar en forma indefinida l'altura de la columna de líquid aconseguida per capil·laritat. No obstant això, Poiseuille assenyala que a l'disminuir el radi, disminueix igualment el flux de el líquid a través d'aquest capil·lar.
A més, la viscositat, que és una mesura de la resistència que s'oposa a l'flux d'un líquid real, disminuiria encara més el flux de el líquid.
-Angle de contacte (θ)
Mentre més gran sigui el valor de l'cosθ, més gran serà l'altura de la columna d'aigua per capil·laritat, tal com ho assenyala la Llei de Jurin.
Si θ és petit i s'apropa a zero (0), el cosθ és = 1, de manera que el valor h serà màxim. Per contra, si θ és igual a 90º, el cosθ = 0 i el valor de h = 0.
Quan el valor de θ és major de 90º, que és el cas de l'menisc convex, el líquid no puja per capil·laritat i la seva tendència és a baixar (com passa amb el mercuri).
Capil·laritat de l'aigua
L'aigua presenta un valor de tensió superficial de 72,75 N / m, relativament alt en comparació amb els valors per tensió superficial dels líquids següents:
-Acetona: 22,75 N / m
-Alcohol etílic: 22,75 N / m
-Hexano: 18,43 N / m
-Metanol: 22,61 N / m.
Per tant, l'aigua té una tensió superficial excepcional, el que afavoreix el desenvolupament de l'fenomen de capil·laritat tan necessari per a l'absorció d'aigua i nutrients per les plantes.
A les plantes
Font: Pixabay
La capil·laritat és un mecanisme important per a l'ascens de la saba pel xilema de les plantes, però és insuficient per si sola per fer arribar la saba a les fulles dels arbres.
La transpiració o evaporació és un mecanisme important en l'ascens de la saba pel xilema de les plantes. Les fulles perden aigua mitjançant la seva evaporació, generant una disminució en la quantitat de les molècules d'aigua, el que provoca una atracció de les molècules d'aigua presents en els tubs capil·lars (xilema).
Les molècules d'aigua no actuen independentment unes de les altres, sinó que interaccionen per les forces de Van der Waals, el que fa que pugin enllaçades entre si pels tubs capil·lars de les plantes cap a les fulles.
A més d'aquests mecanismes, cal assenyalar que les plantes absorbeixen aigua de terra per osmosi i que una pressió positiva generada en l'arrel, impulsa l'inici de l'ascens de l'aigua pels tubs capil·lars de la planta.
referències
- García Franco A. (2010). Fenòmens superficials. Recuperat de: sc.ehu.es
- Fenòmens de superfície: tensió superficial i capil·laritat.. Recuperat de: ugr.es
- Wikipedia. (2018). Capil·laritat. Recuperat de: es.wikipedia.org
- Risvhan T. (sf).Capilaridad en les plantes. Recuperat de: academia.edu
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de desembre del 2018). Capillary Action: Definition and Examples. Recuperat de: thoughtco.com
- Ellen Ellis M. (2018). Capillary Action of Water: Definition & Examples. Study. Recuperat de: study.com
- ScienceStruck Staff. (16 de juliol del 2017). Examples That Explain the Concept and Meaning of Capillary Action. Recuperat de: sciencestruck.com