Capil·laritat

Força de cohesió i adhesió

La força de cohesió és una força d'atracció entre molècules d'una substància similar, mentre que una força d'atracció entre molècules d'una substància desigual s'anomena força d'adhesió. Per exemple, aboquem aigua en un got. La cohesió es produeix quan les molècules d'aigua s'atreuen entre si, mentre que l'adhesió es produeix quan les molècules d'aigua i les molècules de vidre s'atreuen entre si.

Angle de contacte

Abans d'aprendre el concepte de capil·laritat, primer entendrem com influeix la força d'adhesió i la força de cohesió en la capil·laritat. Per exemple, revisarem el líquid en un got. Quan la força de cohesió de la molècula de líquid és més forta que la força d'adhesió (la força d'atracció entre la molècula de líquid i la molècula de vidre), la superfície del líquid formarà una corba cap amunt. Un exemple d'aquest cas és quan l'aigua és en un got. Normalment, es diu que l'aigua impregna la superfície del vidre. Per contra, si la força d'adhesió és més forta, la superfície del líquid es corbarà cap avall. Per exemple, quan el mercuri és en un got.

L'angle format per la corba s'anomena angle de contacte. Quan la força de cohesió del fluid és superior a la força d'adhesió, l'angle de contacte creat és generalment menor de 90°.^o (figura a). Per contra, si la força d'adhesió és superior a la força de cohesió del fluid, l'angle de contacte creat és superior a 90°^o (figura b). Les forces d'adhesió i les forces de cohesió són teòricament difícils de calcular, però els angles de contacte es poden mesurar. Què té a veure amb la capil·laritat?

Concepte de capil·laritat

Si la força de cohesió del fluid és més gran que la força d'adhesió, la superfície del líquid s'enrotllarà cap amunt. Quan inserim un tub o canonada prim (una canonada el diàmetre de la qual és més petit que el del recipient), el líquid del recipient puja a través de la columna de la canonada. Això és degut a que la força de la tensió superficial total al llarg de la paret del tub treballa cap amunt. L'alçada màxima que pot assolir un líquid és quan la força de tensió superficial és igual al pes del líquid de la canonada. Per tant, el líquid només pot pujar fins a una alçada on la força de tensió superficial estigui equilibrada amb el pes del líquid de la canonada.

Per contra, si la força d'adhesió és més gran que la força de cohesió del fluid, la superfície del líquid es corbarà cap avall. Quan inserim un tub o canonada prim (una canonada amb un diàmetre més petit que el recipient), formarà una part inferior del líquid (vegeu la imatge següent).

Aquest efecte es coneix com a capil·laritat, i el tub prim s'anomena tub capil·lar. Tingueu en compte que els nostres vasos sanguinis més petits també es poden anomenar tubs capil·lars perquè la circulació sanguínia en els vasos sanguinis petits també es produeix a causa dels efectes de la capil·laritat. Així mateix, el fenomen de la fusió ascendent de la cera o el querosè a través de l'eix. A més, es creu que la capil·laritat també juga un paper essencial en el pas de l'aigua i les substàncies nutritives des de les arrels fins a les fulles a través dels vasos del xilema. Si no hi ha capil·laritat, la superfície del sòl s'assecarà immediatament després de la pluja. Un altre efecte significatiu de la capil·laritat és la retenció d'aigua als espais entre les partícules del sòl.

Equació de capil·laritat

Com podem determinar l'alçada de l'aigua que puja a través de la columna del tub capil·lar? El líquid puja a la columna del tub capil·lar, que té un radi r fins a l'alçada h. La força que actua per mantenir el líquid a l'alçada h és el component de la força de tensió superficial en la direcció vertical: F cos θ.

La part superior del tub capil·lar està oberta de manera que hi ha pressió atmosfèrica a la superfície del líquid. La longitud de la superfície de contacte entre el líquid i la canonada és de 2πr (circumferència). Per tant, la magnitud de la força de tensió superficial dels components verticals que treballen al llarg de la superfície de contacte és:

F = Força de tensió superficial, γ = Tensió superficial, r = radi del tub capil·lar, θ = Angle de contacte

Si s'ignora la superfície corbada cap amunt, el volum de líquid a la canonada és:

Volum del fluid = la superfície de la canonada x l'alçada del líquid

V = Ah

V = (πr)²)h

Si el component vertical de la força de tensió superficial està equilibrat amb el pes de la columna de líquid al tub capil·lar, el líquid no pot tornar a pujar. En altres paraules, el líquid arribarà a la seva alçada màxima si el component vertical de la força de tensió superficial està equilibrat amb el pes del líquid, fins a h. El component vertical de la força de tensió superficial és:

F = γ 2 π r cos θ

Mentre que el pes del líquid al tub capil·lar és:

w = mg

w = ρ V g

w = ρ (π r² h) g

Quan el líquid arriba a la seva alçada màxima (h), la component vertical de la força de tensió superficial mnomés és igual al pes del líquid al tub capil·lar. Matemàticament, escrit:

Aquesta és l'equació que busquem. Si voleu determinar l'alçada de la columna de líquid, considereu utilitzar aquesta equació.