Força de Coesão e Adesão
A força de coesão é uma força de atração entre moléculas de uma mesma substância, enquanto a força de atração entre moléculas de substâncias diferentes é chamada de força de adesão. Por exemplo, quando colocamos água em um copo, a coesão ocorre quando as moléculas de água se atraem, enquanto a adesão ocorre quando as moléculas de água e as moléculas do copo se atraem.
Ângulo de contato
Antes de aprendermos o conceito de capilaridade, primeiro precisamos entender a influência da força de adesão e da força de coesão sobre esse fenômeno. Por exemplo, vamos analisar o líquido em um copo. Quando a força de coesão entre as moléculas do líquido é maior que a força de adesão (a força de atração entre as moléculas do líquido e as moléculas do copo), a superfície do líquido forma uma curvatura para cima. Um exemplo disso é a água em um copo. Normalmente, diz-se que a água absorve a umidade da superfície do copo. Por outro lado, se a força de adesão for maior, a superfície do líquido se curvará para baixo. Por exemplo, quando há mercúrio em um copo.
O ângulo formado pela curva é chamado de ângulo de contato. Quando a força de coesão do fluido é maior que a força de adesão, o ângulo de contato formado é geralmente menor que 90°.o (figura a). Por outro lado, se a força de adesão for maior que a força de coesão do fluido, o ângulo de contato formado será maior que 90°.o (Figura b). As forças de adesão e coesão são teoricamente difíceis de calcular, mas os ângulos de contato podem ser medidos. O que isso tem a ver com capilaridade?
Conceito de capilaridade
Se a força de coesão do fluido for maior que a força de adesão, a superfície do líquido se curvará para cima. Quando inserimos um tubo fino (um tubo cujo diâmetro é menor que o do recipiente), o líquido no recipiente sobe pela coluna do tubo. Isso ocorre porque a força da tensão superficial total ao longo da parede do tubo atua para cima. A altura máxima que um líquido pode atingir é quando a força da tensão superficial se iguala ao peso do líquido no tubo. Portanto, o líquido só pode subir até uma altura em que a força da tensão superficial se equilibra com o peso do líquido no tubo.
Por outro lado, se a força de adesão for maior que a força de coesão do fluido, a superfície do líquido se curvará para baixo. Quando inserimos um tubo fino (um tubo com diâmetro menor que o do recipiente), ele formará uma parte inferior do líquido (veja a imagem abaixo).
Esse efeito é conhecido como capilaridade, e o tubo fino é chamado de tubo capilar. Lembre-se de que nossos menores vasos sanguíneos também podem ser chamados de tubos capilares, pois a circulação sanguínea nesses pequenos vasos também ocorre devido aos efeitos da capilaridade. Da mesma forma, ocorre o fenômeno da ascensão da cera derretida ou do querosene através do eixo. Além disso, acredita-se que a capilaridade desempenhe um papel essencial na passagem de água e nutrientes das raízes para as folhas através dos vasos do xilema. Se não houvesse capilaridade, a superfície do solo secaria imediatamente após a chuva. Outro efeito significativo da capilaridade é a retenção de água nos espaços entre as partículas do solo.
Equação da capilaridade
Como podemos determinar a altura da água que sobe através da coluna de tubo capilar? O líquido sobe na coluna de tubo capilar, que tem raio r, até a altura h. A força que atua para manter o líquido na altura h é a componente da força de tensão superficial na direção vertical: F cos θ.
A extremidade superior do tubo capilar está aberta, permitindo a atuação da pressão atmosférica sobre a superfície do líquido. O comprimento da superfície de contato entre o líquido e o tubo é 2πr (circunferência). Portanto, a magnitude da força de tensão superficial das componentes verticais que atuam ao longo da superfície de contato é:
F = Força de tensão superficial, γ = Tensão superficial, r = raio do tubo capilar, θ = Ângulo de contato
Se a superfície curva ascendente for ignorada, o volume de líquido no tubo será:
Volume do fluido = área da superfície do tubo x altura do líquido
V = A h
V = (π r 2 ) h
Se a componente vertical da força de tensão superficial estiver equilibrada com o peso da coluna de líquido no tubo capilar, então o líquido não poderá subir novamente. Em outras palavras, o líquido atingirá sua altura máxima, se a componente vertical da força de tensão superficial estiver equilibrada com o peso do líquido, igual a h. A componente vertical da força de tensão superficial é:
F = γ 2 π r cos θ
Enquanto o peso do líquido no tubo capilar é:
w = mg
w = ρ V g
w = ρ (π r 2 h) g
Quando o líquido atinge sua altura máxima (h), a componente vertical da força de tensão superficial deve ser igual ao peso do líquido no tubo capilar. Matematicamente, isso é expresso da seguinte forma:
Esta é a equação que procuramos. Se você deseja determinar a altura da coluna de líquido, considere usar esta equação.
