Forza di coesione e adesione
La forza di coesione è una forza di attrazione tra molecole di sostanze simili, mentre la forza di attrazione tra molecole di sostanze diverse è chiamata forza di adesione. Ad esempio, quando versiamo dell'acqua in un bicchiere, la coesione si verifica quando le molecole d'acqua si attraggono a vicenda, mentre l'adesione si verifica quando le molecole d'acqua e le molecole del vetro si attraggono a vicenda.
Angolo di contatto
Prima di apprendere il concetto di capillarità, è necessario comprendere l'influenza della forza di adesione e della forza di coesione su di essa. Ad esempio, consideriamo un liquido in un bicchiere. Quando la forza di coesione delle molecole del liquido è maggiore della forza di adesione (la forza di attrazione tra le molecole del liquido e le molecole del vetro), la superficie del liquido assume una curvatura verso l'alto. Un esempio di questo caso è l'acqua in un bicchiere. Solitamente, si dice che l'acqua impregna la superficie del bicchiere. Al contrario, se la forza di adesione è maggiore, la superficie del liquido si incurverà verso il basso. Ad esempio, quando il mercurio è in un bicchiere.
L'angolo formato dalla curva è chiamato angolo di contatto. Quando la forza di coesione del fluido è maggiore della forza di adesione, l'angolo di contatto creato è generalmente inferiore a 90°.o (figura a). Viceversa, se la forza di adesione è maggiore della forza di coesione del fluido, l'angolo di contatto creato è maggiore di 90o (figura b). Le forze di adesione e di coesione sono teoricamente difficili da calcolare, ma gli angoli di contatto possono essere misurati. Che relazione c'è tra questo e la capillarità?
Concetto di capillarietà
Se la forza di coesione del fluido è maggiore della forza di adesione, la superficie del liquido si incurverà verso l'alto. Quando inseriamo un tubo sottile (un tubo il cui diametro è inferiore a quello del contenitore), il liquido nel contenitore sale attraverso la colonna del tubo. Questo accade perché la forza di tensione superficiale totale lungo la parete del tubo agisce verso l'alto. L'altezza massima che un liquido può raggiungere si ha quando la forza di tensione superficiale è uguale al peso del liquido nel tubo. Pertanto, il liquido può salire solo fino a un'altezza in cui la forza di tensione superficiale è bilanciata dal peso del liquido nel tubo.
Al contrario, se la forza di adesione è maggiore della forza di coesione del fluido, la superficie del liquido si incurverà verso il basso. Quando inseriamo un tubo sottile (un tubo con un diametro inferiore a quello del contenitore), questo formerà una parte inferiore del liquido (vedi immagine sotto).
Questo effetto è noto come capillarità e il sottile tubo che lo compone è chiamato capillare. È importante ricordare che anche i nostri vasi sanguigni più piccoli possono essere definiti capillari, poiché la circolazione sanguigna in questi vasi avviene proprio grazie all'effetto capillare. Allo stesso modo, si verifica il fenomeno della risalita di cera o cherosene attraverso l'asse. Inoltre, si ritiene che la capillarità svolga un ruolo essenziale nel passaggio di acqua e sostanze nutritive dalle radici alle foglie attraverso i vasi xilematici. Senza capillarità, la superficie del suolo si asciugherebbe immediatamente dopo la pioggia. Un altro effetto significativo della capillarità è la ritenzione idrica negli spazi tra le particelle del suolo.
Equazione della capillaria
Come possiamo determinare l'altezza dell'acqua che sale attraverso la colonna capillare? Il liquido sale nella colonna capillare, che ha un raggio r, fino all'altezza h. La forza che agisce per mantenere il liquido all'altezza h è la componente della forza di tensione superficiale in direzione verticale: F cos θ.
La parte superiore del tubo capillare è aperta in modo che la pressione atmosferica agisca sulla superficie del liquido. La lunghezza della superficie di contatto tra il liquido e il tubo è 2πr (circonferenza). Pertanto, l'intensità della forza di tensione superficiale delle componenti verticali che agiscono lungo la superficie di contatto è:
F = Forza di tensione superficiale, γ = Tensione superficiale, r = raggio del tubo capillare, θ = Angolo di contatto
Se si ignora la superficie curva verso l'alto, il volume del liquido nel tubo è:
Volume del fluido = area della superficie del tubo x-altezza del liquido
V = A h
V = (π r 2 ) h
Se la componente verticale della forza di tensione superficiale è bilanciata dal peso della colonna di liquido nel tubo capillare, allora il liquido non può più risalire. In altre parole, il liquido raggiungerà la sua altezza massima, pari a h, se la componente verticale della forza di tensione superficiale è bilanciata dal peso del liquido. La componente verticale della forza di tensione superficiale è:
F = γ 2 π r cos θ
Mentre il peso del liquido nel tubo capillare è:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 h) g
Quando il liquido raggiunge la sua altezza massima (h), la componente verticale della forza di tensione superficiale deve essere uguale al peso del liquido nel tubo capillare. Matematicamente, si scrive:
Questa è l'equazione che stiamo cercando. Se si desidera determinare l'altezza della colonna di liquido, si consiglia di utilizzare questa equazione.
