capilaritate Este o proprietate a lichidelor care le permite să se deplaseze prin găuri tubulare sau suprafețe poroase chiar și împotriva forței gravitaționale. Pentru aceasta, trebuie să existe un echilibru și o coordonare a două forțe legate de moleculele lichidului: coeziunea și aderența; acestea două au o reflexie fizică numită tensiune superficială.
Lichidul trebuie să poată uda pereții interni ai tubului sau porii materialului prin care se deplasează. Acest lucru se întâmplă atunci când forța de aderență (peretele tubului lichid-capilar) este mai mare decât forța de coeziune intermoleculară. În consecință, moleculele lichidului creează interacțiuni mai puternice cu atomii materialului (sticlă, hârtie etc.) decât între ele..
Exemplul clasic de capilaritate este ilustrat prin compararea acestei proprietăți pentru două lichide foarte diferite: apă și mercur..
În imaginea de mai sus, se vede că apa se ridică pe pereții tubului, ceea ce înseamnă că are forțe de adeziune mai mari; în timp ce la mercur apare opusul, deoarece forțele sale de coeziune, de legătură metalică, îl împiedică să ude sticla.
Din acest motiv, apa formează un menisc concav, iar mercurul un menisc convex (în formă de cupolă). De asemenea, trebuie remarcat faptul că cu cât raza tubului sau secțiunea prin care circulă lichidul este mai mică, cu atât este mai mare înălțimea sau distanța parcursă (comparați înălțimile coloanelor de apă pentru ambele tuburi).
Indice articol
Suprafața lichidului, ca să spunem apă, într-un capilar este concavă; adică meniscul este concav. Această situație apare deoarece rezultanta forțelor exercitate asupra moleculelor de apă din apropierea peretelui tubului este îndreptată spre aceasta.
În fiecare menisc există un unghi de contact (θ), care este unghiul format de peretele tubului capilar cu o linie tangentă la suprafața lichidului în punctul de contact.
Dacă forța de aderență a lichidului la peretele capilar prevalează asupra forței de coeziune intermoleculară, atunci unghiul este θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.
Când o picătură de apă este plasată pe suprafața unui pahar curat, apa se răspândește peste pahar, deci θ = 0 și cos θ = 1.
Dacă forța de coeziune intermoleculară prevalează asupra forței de aderență a peretelui lichid-capilar, de exemplu în mercur, meniscul va fi convex și unghiul θ va avea o valoare> 90º; mercurul nu ude peretele capilar și, prin urmare, curge pe peretele său interior.
Când o picătură de mercur este plasată pe suprafața unui pahar curat, picătura își menține forma și unghiul θ = 140º.
Apa crește prin tubul capilar până ajunge la o înălțime (h), în care greutatea coloanei de apă compensează componenta verticală a forței de coeziune intermoleculară.
Pe măsură ce crește mai multă apă, va veni un punct în care gravitația își va opri ascensiunea, chiar și cu tensiunea superficială care funcționează în favoarea ta..
Când se întâmplă acest lucru, moleculele nu pot continua să „urce” pereții interiori și toate forțele fizice se egalizează. Pe de o parte, există forțele care promovează creșterea apei și, pe de altă parte, propria greutate care o împinge în jos.
Acest lucru poate fi scris matematic după cum urmează:
2 π rϒcosθ = ρgπrDouăh
În cazul în care partea stângă a ecuației depinde de tensiunea superficială, a cărei magnitudine este, de asemenea, legată de coeziune sau de forțele intermoleculare; Cosθ reprezintă unghiul de contact și r raza orificiului prin care se ridică lichidul.
Și pe partea dreaptă a ecuației avem înălțimea h, forța de greutate g și densitatea lichidului; care ar fi apa.
Rezolvând apoi pentru h avem
h = (2ϒcosθ / ρgr)
Această formulare este cunoscută sub numele de Legea lui Jurin, care definește înălțimea atinsă de coloana de lichid, în tubul capilar, când greutatea coloanei de lichid este echilibrată cu forța ascensiunii prin acțiune capilară..
Apa este o moleculă dipol, datorită electronegativității atomului de oxigen și geometriei sale moleculare. Acest lucru face ca porțiunea moleculei de apă în care se află oxigenul să devină încărcată negativ, în timp ce porțiunea moleculei de apă, care conține cei 2 atomi de hidrogen, este încărcată pozitiv..
Moleculele din lichid interacționează datorită acestui fapt prin mai multe legături de hidrogen, ținându-le împreună. Cu toate acestea, moleculele de apă care se află în apă: interfața aerului (suprafața), sunt supuse unei atracții nete de către moleculele sinusului lichidului, nu compensate de atracția slabă cu moleculele de aer.
Prin urmare, moleculele de apă din interfață sunt supuse unei forțe atractive care tinde să îndepărteze moleculele de apă din interfață; adică legăturile de hidrogen formate cu moleculele din partea de jos le trag pe cele care se află la suprafață. Astfel, tensiunea superficială urmărește să reducă suprafața apei: interfața aerului..
Dacă ne uităm la ecuația legii lui Jurin, vom constata că h este direct proporțional cu ϒ; prin urmare, cu cât tensiunea superficială a lichidului este mai mare, cu atât este mai mare înălțimea care poate crește printr-un capilar sau por al unui material.
În acest fel, se poate aștepta ca pentru două lichide, A și B, cu tensiuni superficiale diferite, cel cu tensiune superficială mai mare să crească la o înălțime mai mare..
Se poate concluziona cu privire la acest punct că o tensiune superficială ridicată este cea mai importantă caracteristică care definește proprietatea capilară a unui lichid..
Observarea legii lui Jurin indică faptul că înălțimea pe care o atinge un lichid într-un capilar sau por este invers proporțională cu raza aceluiași.
Prin urmare, cu cât raza este mai mică, cu atât este mai mare înălțimea pe care coloana de lichid o atinge prin capilaritate. Acest lucru poate fi văzut direct în imaginea în care apa este comparată cu mercurul.
Într-un tub de sticlă cu o rază de 0,05 mm rază, coloana de apă per capilaritate va atinge o înălțime de 30 cm. În tuburile capilare cu o rază de 1 µm cu o presiune de aspirație de 1,5 x 103 hPa (care este egal cu 1,5 atm) corespunde unui calcul al înălțimii coloanei de apă de la 14 la 15 m.
Acest lucru este foarte asemănător cu ceea ce se întâmplă cu acele paie care se întorc asupra lor de mai multe ori. Prin sorbirea lichidului, se creează o diferență de presiune care face ca lichidul să se ridice la gură.
Înălțimea maximă a coloanei atinsă prin capilaritate este teoretică, deoarece raza capilarelor nu poate fi redusă dincolo de o anumită limită..
Aceasta stabilește că fluxul unui lichid real este dat de următoarea expresie:
Q = (πr4/ 8ηl) ΔP
Unde Q este fluxul lichidului, η este vâscozitatea acestuia, l este lungimea tubului și ΔP este diferența de presiune.
Pe măsură ce raza unui capilar scade, înălțimea coloanei de lichid atinsă prin acțiunea capilară ar trebui să crească la nesfârșit. Cu toate acestea, Poiseuille subliniază că, pe măsură ce raza scade, fluxul lichidului prin acest capilar scade, de asemenea..
De asemenea, vâscozitatea, care este o măsură a rezistenței la fluxul unui lichid real, ar reduce și mai mult fluxul lichidului..
Cu cât valoarea cosθ este mai mare, cu atât este mai mare înălțimea coloanei de apă prin capilaritate, așa cum indică Legea lui Jurin.
Dacă θ este mic și se apropie de zero (0), cosθ este = 1, deci valoarea h va fi maximă. Dimpotrivă, dacă θ este egal cu 90º, cosθ = 0 și valoarea h = 0.
Când valoarea lui θ este mai mare de 90º, ceea ce este cazul meniscului convex, lichidul nu crește prin capilaritate și tendința sa este să coboare (așa cum se întâmplă cu mercurul).
Apa are o valoare a tensiunii superficiale de 72,75 N / m, relativ ridicată în comparație cu valorile pentru tensiunea superficială a următoarelor lichide:
-Acetonă: 22,75 N / m
-Alcool etilic: 22,75 N / m
-Hexan: 18,43 N / m
-Metanol: 22,61 N / m.
Prin urmare, apa are o tensiune superficială excepțională, care favorizează dezvoltarea fenomenului de capilaritate atât de necesar pentru absorbția apei și a nutrienților de către plante..
Capilaritatea este un mecanism important pentru ascensiunea sevei prin xilemul plantelor, dar este insuficientă de la sine pentru a duce seva la frunzele copacilor..
Transpirația sau evaporarea este un mecanism important în ascensiunea sevei prin xilemul plantelor. Frunzele pierd apă prin evaporare, generând o scădere a cantității de molecule de apă, ceea ce determină o atracție a moleculelor de apă prezente în capilare (xilem).
Moleculele de apă nu acționează independent una de cealaltă, ci interacționează prin forțele Van der Waals, ceea ce le face să crească legate între ele prin capilarele plantelor spre frunze..
În plus față de aceste mecanisme, trebuie remarcat faptul că plantele absorb apa din sol prin osmoză și că o presiune pozitivă generată în rădăcină, determină începutul creșterii apei prin tuburile capilare ale plantei..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.