Fuerza de cohesión y adhesión
La fuerza de cohesión es la fuerza de atracción entre moléculas de una sustancia similar, mientras que la fuerza de atracción entre moléculas de sustancias diferentes se denomina fuerza de adhesión. Por ejemplo, al verter agua en un vaso, la cohesión se produce cuando las moléculas de agua se atraen entre sí, mientras que la adhesión se produce cuando las moléculas de agua y las moléculas de vidrio se atraen.
Angulo de contacto
Antes de aprender el concepto de capilaridad, primero debemos comprender cómo influyen la fuerza de adhesión y la fuerza de cohesión en la capilaridad. Por ejemplo, consideremos el líquido en un vaso. Cuando la fuerza de cohesión de las moléculas del líquido es mayor que la fuerza de adhesión (la fuerza de atracción entre las moléculas del líquido y las del vidrio), la superficie del líquido se curvará hacia arriba. Un ejemplo de esto es cuando el agua está en un vaso. Generalmente, se dice que el agua empapa la superficie del vaso. Por el contrario, si la fuerza de adhesión es mayor, la superficie del líquido se curvará hacia abajo. Por ejemplo, cuando el mercurio está en un vaso.
El ángulo formado por la curva se denomina ángulo de contacto. Cuando la fuerza de cohesión del fluido es mayor que la fuerza de adhesión, el ángulo de contacto creado suele ser menor de 90°.o (figura a). Por el contrario, si la fuerza de adhesión es mayor que la fuerza de cohesión del fluido, el ángulo de contacto creado es mayor de 90°.o (Figura b). Las fuerzas de adhesión y cohesión son teóricamente difíciles de calcular, pero los ángulos de contacto se pueden medir. ¿Qué tiene que ver esto con la capilaridad?
Concepto de capilaridad
Si la fuerza de cohesión del fluido es mayor que la fuerza de adhesión, la superficie del líquido se curvará hacia arriba. Al insertar un tubo delgado (un tubo cuyo diámetro es menor que el del recipiente), el líquido dentro del recipiente asciende a través de la columna del tubo. Esto se debe a que la fuerza de la tensión superficial total a lo largo de la pared del tubo actúa hacia arriba. La altura máxima que puede alcanzar un líquido se da cuando la fuerza de tensión superficial es igual al peso del líquido en el tubo. Por lo tanto, el líquido solo puede ascender hasta una altura donde la fuerza de tensión superficial se equilibra con el peso del líquido en el tubo.
Por el contrario, si la fuerza de adhesión es mayor que la fuerza de cohesión del fluido, la superficie del líquido se curvará hacia abajo. Al insertar un tubo o conducto delgado (con un diámetro menor que el del recipiente), se formará una parte inferior del líquido (véase la imagen a continuación).
Este efecto se conoce como capilaridad, y el conducto delgado se llama tubo capilar. Cabe recordar que nuestros vasos sanguíneos más pequeños también pueden denominarse capilares, ya que la circulación sanguínea en ellos se produce gracias a la capilaridad. De igual modo, se observa el fenómeno de la fusión ascendente de cera o queroseno a través del eje. Además, se cree que la capilaridad desempeña un papel esencial en el paso de agua y nutrientes desde las raíces hasta las hojas a través de los vasos del xilema. Sin capilaridad, la superficie del suelo se secaría inmediatamente después de la lluvia. Otro efecto significativo de la capilaridad es la retención de agua en los espacios entre las partículas del suelo.
ecuación de capilaridad
¿Cómo podemos determinar la altura del agua que asciende a través de la columna capilar? El líquido asciende por la columna capilar, que tiene un radio r, hasta una altura h. La fuerza que actúa para mantener el líquido a la altura h es la componente de la fuerza de tensión superficial en la dirección vertical: F cos θ.
La parte superior del tubo capilar está abierta, de modo que hay presión atmosférica en la superficie del líquido. La longitud de la superficie de contacto entre el líquido y el tubo es 2πr (circunferencia). Por lo tanto, la magnitud de la fuerza de tensión superficial de las componentes verticales que actúan a lo largo de la superficie de contacto es:
F = Fuerza de tensión superficial, γ = Tensión superficial, r = radio del tubo capilar, θ = Ángulo de contacto
Si se ignora la superficie curva hacia arriba, el volumen de líquido en la tubería es:
Volumen de fluido = área de la superficie de la tubería x altura del líquido
V = A h
V = (π r 2 ) h
Si la componente vertical de la fuerza de tensión superficial se equilibra con el peso de la columna de líquido en el tubo capilar, entonces el líquido no puede volver a ascender. En otras palabras, el líquido alcanzará su altura máxima, si la componente vertical de la fuerza de tensión superficial se equilibra con el peso del líquido, que será h. La componente vertical de la fuerza de tensión superficial es:
F = γ 2 π r cos θ
Mientras que el peso del líquido en el tubo capilar es:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 h) g
Cuando el líquido alcanza su altura máxima (h), la componente vertical de la fuerza de tensión superficial debe ser igual al peso del líquido en el tubo capilar. Matemáticamente, se escribe:
Esta es la ecuación que buscamos. Si desea determinar la altura de la columna de líquido, considere usar esta ecuación.
