Capilaridade: características e exemplo na água

A capilaridade é uma propriedade de líquidos permite a mover através de aberturas tubulares ou porosa, mesmo contra as superfícies de gravidade. Para isso, deve haver um equilíbrio e coordenação de duas forças relacionadas às moléculas do líquido: coesão e adesão; estes dois tendo um reflexo físico chamado tensão superficial.

O líquido precisa poder molhar as paredes internas do tubo ou os poros do material através do qual ele viaja. Isso ocorre quando a força de adesão (parede líquida do tubo capilar) é maior que a força de coesão intermolecular. Consequentemente, as moléculas do líquido criam interações mais fortes com os átomos do material (vidro, papel etc.) do que entre eles.

Capilaridade: características e exemplo na água 1

Fonte: MesserWoland via Wikipedia

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

Na imagem acima, pode-se ver que a água sobe através das paredes do tubo, o que significa que possui maiores forças de adesão; enquanto o oposto ocorre com o mercúrio, porque sua coesão, forças de ligação metálicas impedem que ele molhe o vidro.

Por esse motivo, a água forma um menisco côncavo e o mercúrio um menisco convexo (em forma de cúpula). Note-se também que, quanto menor o raio do tubo ou a seção pela qual o líquido se move, maior a altura ou a distância percorrida (compare as alturas das colunas de água dos dois tubos).

Características de capilaridade

Superfície líquida

A superfície do líquido, isto é, a água, em um capilar é côncava; isto é, o menisco é côncavo. Essa situação ocorre porque o resultado das forças exercidas nas moléculas de água próximas à parede do tubo é direcionado a ela.

Em todo menisco existe um ângulo de contato (θ), que é o ângulo que forma a parede do tubo capilar 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 prevalecer sobre a força de coesão intermolecular, o ângulo será θ <90 °; o líquido molha a parede capilar e a água sobe através do capilar, observando o fenômeno conhecido como capilar.

Quando uma gota de água é colocada na superfície de um copo limpo, a água é espalhada sobre o copo, então θ = 0 e o cos θ = 1.

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

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

-Altura

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

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

Quando isso ocorre, as moléculas não podem continuar a “escalar” através das paredes internas e todas as forças físicas são equalizadas. Por um lado, existem forças que promovem a ascensão da água e, por outro, seu próprio peso, empurrando-a para baixo.

Jurin Law

Isso pode ser escrito matematicamente da seguinte maneira:

2 π rϒcosθ = ρgπr 2 h

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

E no lado direito da equação você tem a altura h, a força da gravidade g e a densidade do líquido; Essa seria a água.

Compensação, então você tem

h = (2ϒcosθ / ρgr)

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

-Tensão superficial

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

As moléculas no 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 seno do líquido, não compensadas pela fraca atração pelas moléculas de ar.

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

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Relação com h

Se a equação da lei de Jurin for observada, será verificado que h é diretamente proporcional a ϒ; portanto, quanto maior a tensão superficial do líquido, maior a altura que pode subir através de um capilar ou poro de um material.

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

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

-Rádio do capilar ou poro onde o líquido sobe

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

Portanto, quanto menor o raio, maior a altura alcançada pela coluna líquida por capilaridade. Isso pode ser visto diretamente na imagem em que a água é comparada ao mercúrio.

Em um tubo de vidro com um raio de 0,05 mm, a coluna de água capilar atingirá uma altura de 30 cm. Nos tubos capilares com um raio de 1 µm com pressão de sucção de 1,5 x 10 3 hPa (que é igual a 1,5 atm) corresponde a um cálculo da altura da coluna de água de 14 a 15 m.

Isso é muito semelhante ao que acontece com os canudos que se giram várias vezes. Ao sorver o líquido, é criada uma diferença de pressão que faz com que o líquido suba para a boca.

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

Lei de Poiseuille

Ele afirma que o fluxo de um líquido real é dado pela seguinte expressão:

Q = (πr 4 / 8ηl) ΔP

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

Ao diminuir o raio de um capilar, a altura da coluna líquida alcançada pela capilaridade deve ser aumentada indefinidamente. No entanto, Poiseuille ressalta que, ao diminuir o raio, o fluxo do líquido através desse capilar também diminui.

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

– ângulo de contato (θ)

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

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

Quando o valor de θ é superior a 90º, como é o caso do menisco convexo, o líquido não aumenta por capilaridade e sua tendência é diminuir (como é o caso do mercúrio).

Capilaridade da água

A água tem um valor de tensão superficial de 72,75 N / m, relativamente alto comparado aos 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 capilar tão necessário para a absorção de água e nutrientes pelas plantas.

Nas plantas

Capilaridade: características e exemplo na água 2

Fonte: Pixabay

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

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

As moléculas de água não agem independentemente umas das outras, mas interagem pelas forças de Van der Waals , o que faz com que elas subam ligadas entre si pelos tubos capilares das plantas até as folhas.

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

Referências

  1. García Franco A. (2010). Fenômenos superficiais Recuperado de: sc.ehu.es
  2. Fenômenos de superfície: tensão superficial e capilaridade. [PDF]. Recuperado de: ugr.es
  3. Wikipedia (2018). Capilaridade Recuperado de: en.wikipedia.org
  4. Risvhan T. (sf) Capilaridade em plantas. Recuperado de: academia.edu
  5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de dezembro de 2018). Ação Capilar: Definição e Exemplos. Recuperado de: thoughtco.com
  6. Ellen Ellis M. (2018). Ação capilar da água: definição e exemplos. Estudo Recuperado de: study.com
  7. Funcionários da ScienceStruck. (16 de julho de 2017). Exemplos que explicam o conceito e o significado da ação capilar. Recuperado de: sciencestruck.com

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