Capilaridade: características e exemplo na água - Ciência - 2023

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o capilaridade É uma propriedade dos líquidos que permite que eles se movam através de orifícios tubulares ou superfícies porosas, mesmo contra a força da gravidade. Para isso, deve haver equilíbrio e coordenação de duas forças relacionadas às moléculas do líquido: coesão e adesão; esses dois têm um reflexo físico chamado tensão superficial.

O líquido precisa ser capaz de molhar as paredes internas do tubo ou os poros do material por onde passa. Isso ocorre quando a força de adesão (parede do tubo capilar líquido) é maior do que a força de coesão intermolecular. Conseqüentemente, as moléculas do líquido criam interações mais fortes com os átomos do material (vidro, papel, etc.) do que entre si.

O exemplo clássico de capilaridade é ilustrado na comparação dessa propriedade para dois líquidos muito diferentes: água e mercúrio.

Na imagem acima pode-se observar que a água sobe pelas paredes do tubo, o que significa que ela tem maiores forças de adesão; enquanto com o mercúrio ocorre o contrário, pois suas forças de coesão, de ligação metálica, o impedem de molhar o vidro.

Por esta razão, a água forma um menisco côncavo e o mercúrio um menisco convexo (em forma de cúpula). Da mesma forma, deve-se notar que quanto menor o raio do tubo ou a seção pela qual o líquido passa, maior a altura ou distância percorrida (compare as alturas das colunas de água de ambos os tubos).

Características de capilaridade

-Superfície do líquido

A superfície do líquido, para dizer a água, em um capilar é côncava; ou seja, o menisco é côncavo. Essa situação ocorre porque a resultante das forças exercidas sobre as moléculas de água próximas à parede do tubo é direcionada para ela.

Em cada menisco existe um ângulo de contato (θ), que é o ângulo que a parede do tubo capilar forma com uma linha tangente à superfície do líquido no ponto de contato.

Forças de adesão e coesão

Se a força de adesão do líquido à parede capilar prevalece sobre a força de coesão intermolecular, então o ângulo é θ <90º; o líquido umedece a parede capilar e a água sobe pelo capilar, observando o fenômeno conhecido como capilaridade.

Quando uma gota d'água é colocada na superfície de um vidro limpo, a água se espalha sobre o vidro, então θ = 0 e cos θ = 1.

Se a força de coesão intermolecular prevalecer sobre a força de adesão líquido-capilar, por exemplo no mercúrio, o menisco será convexo e o ângulo θ terá um valor> 90º; o mercúrio não molha a parede capilar e, portanto, desce pela parede interna.

Quando uma gota de mercúrio é colocada na superfície de um vidro limpo, a gota mantém sua forma e o ângulo θ = 140º.

-Altura

A água sobe pelo tubo capilar até atingir uma altura (h), na qual o peso da coluna d'água compensa a componente vertical da força de coesão intermolecular.

À medida que mais água sobe, chegará um ponto em que a gravidade interromperá sua subida, mesmo com a tensão superficial trabalhando a seu favor.

Quando isso acontece, as moléculas não podem continuar a "escalar" as paredes internas e todas as forças físicas se igualam. Por um lado, você tem as forças que promovem a subida da água e, por outro, seu próprio peso empurrando-a para baixo.

Lei de Jurin

Isso pode ser escrito matematicamente da seguinte forma:

2 π rϒcosθ = ρgπr²h

Onde o lado esquerdo da equação depende da tensão superficial, cuja magnitude também está relacionada à coesão ou forças intermoleculares; Cosθ representa o ângulo de contato er o raio do orifício através do qual o líquido sobe.

E do lado direito da equação, temos a altura h, a força da gravidade ge a densidade do líquido; qual seria a água.

Resolvendo para h, então temos

h = (2ϒcosθ / ρgr)

Essa formulação é conhecida como Lei de Jurin, que define a altura atingida pela coluna de líquido, no tubo capilar, quando o peso da coluna de líquido é equilibrado com a força de ascensão por ação capilar.

-Tensão superficial

A água é uma molécula dipolo, devido à eletronegatividade do átomo de oxigênio e sua geometria molecular. Isso faz com que a parte da molécula de água onde o oxigênio está localizado fique carregada negativamente, enquanto a parte da molécula de água, contendo os 2 átomos de hidrogênio, torna-se carregada positivamente.

As moléculas dentro do líquido interagem graças a isso por meio de múltiplas ligações de hidrogênio, mantendo-as juntas. No entanto, as moléculas de água que estão na interface água: ar (superfície), estão sujeitas a uma atração líquida pelas moléculas do seio do líquido, não compensada pela fraca atração com as moléculas de ar.

Portanto, as moléculas de água na interface são submetidas a uma força atrativa que tende a remover moléculas de água da interface; isto é, as ligações de hidrogênio formadas com as moléculas do fundo arrastam aquelas que estão na superfície. Assim, a tensão superficial visa reduzir a superfície da interface água: ar.

Relacionamento com h

Se olharmos para a equação da lei de Jurin, descobriremos que h é diretamente proporcional a ϒ; portanto, quanto maior a tensão superficial do líquido, maior será a altura que pode ser elevada por um capilar ou poro de um material.

Desta forma, espera-se que para dois líquidos, A e B, com tensões superficiais diferentes, aquele com maior tensão superficial suba para uma altura maior.

Pode-se concluir a respeito deste ponto que uma alta tensão superficial é a característica mais importante que define a propriedade capilar de um líquido.

-Rádio do capilar ou poro através do qual o líquido sobe

A observação da Lei de Jurin indica que a altura que um líquido atinge em um capilar ou poro é inversamente proporcional ao seu raio.

Portanto, quanto menor o raio, maior a altura que a coluna de líquido atinge por capilaridade. Isso pode ser visto diretamente na imagem onde a água é comparada ao mercúrio.

Em um tubo de vidro com raio de 0,05 mm de raio, a coluna de água por capilaridade atingirá a altura de 30 cm. Em tubos capilares com raio de 1 µm e pressão de sucção de 1,5 x 10³ hPa (que é igual a 1,5 atm) corresponde a um cálculo da altura da coluna d'água de 14 a 15 m.

Isso é muito semelhante ao que acontece com aqueles canudos que se voltam várias vezes. Conforme você sorve o líquido, é criada uma diferença de pressão que faz com que o líquido suba até a boca.

O valor máximo da altura da coluna atingido pela capilaridade é teórico, uma vez que o raio dos capilares não pode ser reduzido além de um certo limite.

Lei de Poiseuille

Isso estabelece que o fluxo de um líquido real é dado pela seguinte expressão:

Q = (πr⁴/ 8ηl) ΔP

Onde Q é o fluxo do líquido, η é sua viscosidade, l é o comprimento do tubo e ΔP é a diferença de pressão.

Conforme o raio de um capilar diminui, você deve aumentar indefinidamente a altura da coluna de líquido alcançada pela ação capilar. No entanto, Poiseuille ressalta que à medida que o raio diminui, o fluxo do líquido por aquele capilar também diminui.

Além disso, a viscosidade, que é uma medida de resistência ao fluxo de um líquido real, diminuiria ainda mais o fluxo do líquido.

- Ângulo de contato (θ)

Quanto maior o valor de cosθ, maior é a altura da coluna d'água por capilaridade, conforme indicado pela Lei de Jurin.

Se θ é pequeno e se aproxima de zero (0), o cosθ é = 1, então o valor h será máximo. Pelo contrário, se θ for igual a 90º, o cosθ = 0 e o valor de h = 0.

Quando o valor de θ é maior que 90º, que é o caso do menisco convexo, o líquido não sobe por capilaridade e sua tendência é descer (como ocorre com o mercúrio).

Capilaridade da água

A água tem um valor de tensão superficial de 72,75 N / m, relativamente alto em comparação com os valores de tensão superficial dos seguintes líquidos:

-Acetona: 22,75 N / m

-Álcool etílico: 22,75 N / m

-Hexano: 18,43 N / m

-Metanol: 22,61 N / m.

Portanto, a água possui uma tensão superficial excepcional, o que favorece o desenvolvimento do fenômeno de capilaridade tão necessário para a absorção de água e nutrientes pelas plantas.

Nas plantas

A capilaridade é um mecanismo importante para a ascensão da seiva pelo xilema das plantas, mas por si só é insuficiente para levar a seiva às folhas das árvores.

A transpiração ou evaporação é um mecanismo importante na ascensão da seiva pelo xilema das plantas. As folhas perdem água por evaporação, gerando uma diminuição na quantidade de moléculas de água, o que provoca uma atração das moléculas de água presentes nos capilares (xilema).

As moléculas de água não agem independentemente umas das outras, mas interagem por forças de Van der Waals, o que faz com que subam ligadas entre si através dos capilares das plantas em direção às folhas.

Além desses mecanismos, deve-se destacar que as plantas absorvem água do solo por osmose e que uma pressão positiva gerada na raiz, impulsiona o início da subida da água pelos capilares da planta.

Referências

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Equipe ScienceStruck. (16 de julho de 2017). Exemplos que explicam o conceito e o significado da ação capilar. Recuperado de: sciencestruck.com