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 um 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 pela 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 impede de molhar o vidro.
Por esta razão, a água forma um menisco côncavo e o mercúrio um menisco convexo (em forma de cúpula). Também deve ser notado que quanto menor o raio do tubo ou a seção através da qual o líquido viaja, maior a altura ou distância percorrida (compare as alturas das colunas de água para ambos os tubos).
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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 este.
Em cada menisco existe um ângulo de contato (θ), que é o ângulo formado pela parede do tubo capilar com uma linha tangente à superfície do líquido no ponto de contato.
Se a força de adesão do líquido à parede capilar prevalece sobre a força de coesão intermolecular, então o ângulo é θ < 90º; el líquido moja la pared capilar y el agua asciende por el capilar, observándose el fenómeno conocido como capilaridad.
Quando uma gota de 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 por sua 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.
A água sobe pelo tubo capilar até atingir uma altura (h), na qual o peso da coluna d'água compensa o 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, existem as forças que promovem a subida da água e, por outro, o seu próprio peso empurrando-a para baixo.
Isso pode ser escrito matematicamente da seguinte forma:
2 π rϒcosθ = ρgπrdoish
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 no lado direito da equação temos a altura h, a força da gravidade ge a densidade do líquido; o que seria a água.
Resolvendo então para h nós 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..
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, é 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 na parte inferior arrastam aquelas que estão na superfície. Assim, a tensão superficial visa reduzir a superfície da interface água: ar..
Se olharmos para a equação da lei de Jurin, descobriremos que h é diretamente proporcional a ϒ; portanto, quanto maior for a tensão superficial do líquido, maior será 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 tensões superficiais diferentes, aquele com maior tensão superficial subirá para uma altura maior..
Pode-se concluir a respeito desse ponto que uma alta tensão superficial é a característica mais importante que define a propriedade capilar de um líquido..
A observação da Lei de Jurin indica que a altura que um líquido atinge em um capilar ou poro é inversamente proporcional ao raio do mesmo..
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 com o mercúrio.
Em um tubo de vidro com raio de 0,05 mm de raio, a coluna de água por capilaridade atingirá uma 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. Ao sorver o líquido, é criada uma diferença de pressão que faz com que o líquido suba para a boca.
A altura máxima da coluna atingida pela capilaridade é teórica, uma vez que o raio dos capilares não pode ser reduzido além de um certo limite..
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.
À medida que o raio de um capilar diminui, a altura da coluna de líquido atingida pela ação capilar deve aumentar indefinidamente. Porém, Poiseuille ressalta que à medida que o raio diminui, o fluxo do líquido por esse 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..
Quanto maior o valor de cosθ, maior será a altura da coluna d'água por capilaridade, conforme indica a 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 tende a descer (como ocorre com o mercúrio).
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..
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 tubos capilares da planta..
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