Capilaritatea

Acțiunea capilară (uneori capilaritatea, mișcarea capilară, sau efectul capilar) este capacitatea unui lichid de a curge în spații înguste fără ajutorul sau chiar în contradicție cu forțele externe precum gravitatea. Efectul poate fi văzut în procesul de ridicare a lichidelor între firele de păr ale unei pensuli de vopsea, într-un tub subțire, în materiale poroase cum ar fi hârtia și ipsosul, în unele materiale neporoase cum ar fi nisipul și fibra de carbon lichefiat, sau în o celulă. Apare din cauza forțelor intermoleculare dintre suprafața lichidă și cea solidă din jur. Dacă diametrul tubului este suficient de mic, atunci combinația dintre tensiunea superficială (care este cauzată de coeziunea în interiorul lichidului) și forțele adezive dintre peretele lichid și cel al recipientului, acționează împingând lichidul.

(Acțiunea capilară a apei în comparație cu mercurul, în fiecare caz în raport cu o suprafață polară, cum ar fi sticla. )

Fenomenul și fizica acțiunii capilare

(Experiment de capilaritate  pentru a investiga fluxurile și fenomenele capilare la bordul Stației Spațiale Internaționale)

Un aparat comun folosit pentru a demonstra fenomenul este tubul capilar. Atunci când capătul inferior al unui tub vertical de sticlă este plasat într-un lichid, cum ar fi apa, se formează un menisc concav. Aderența apare între fluid și peretele interior solid care trage coloana lichidă până când există o cantitate suficientă de lichid pentru forțele gravitaționale pentru a depăși aceste forțe intermoleculare. Lungimea de contact (în jurul marginii) dintre partea superioară a coloanei de lichid și a tubului este proporțională cu raza tubului, în timp ce greutatea coloanei de lichid este proporțională cu pătratul razei tubului. Deci, un tub îngust va permite o coloană de lichid mai mare decât un tubă mai larg, având în vedere că moleculele interioare de apă au o coerență suficientă cu cele exterioare.

La plante și animale

Acțiunea capilară este observată în multe plante. Apa este adusă în sus în copaci prin ramificare; evaporarea la frunze creând depresurizare; probabil prin presiunea osmotică adăugată la rădăcini; și, eventual, în alte locații din interiorul plantei, în special atunci când se colectează umiditatea cu rădăcinile aeriene.

Acțiunea capilară pentru absorbția apei a fost constatată la unele animale mici, cum ar fi Ligia exotica (gândacul de mare) și Moloch horridus (dragonul spinos).

Exemple

Acțiunea capilară este esențială pentru drenajul fluidului lacrimal produs în mod constant din ochi. Două canalicule cu diametrul mic sunt prezente în colțul interior al pleoapelor, denumite și canale lacrimale; deschiderile lor pot fi văzute cu ochiul liber în sacul lacrimal atunci când pleoapele sunt răsucite.

Capilaritatea este și absorbția unui lichid printr-un material în felul unui fitil de lumânare. Prosoapele de hârtie absorb lichid prin acțiunea capilară, permițând transferarea unui lichid de pe o suprafață spre prosop. Porii mici ai unui burete acționează ca niște capilare mici, determinând absorbția unei cantități mare de lichid. Unele țesături textile se spune că utilizează acțiunea capilară pentru a absorbi transpirația de pe piele. Acestea sunt adesea denumite țesături de absorbție.

Acțiunea capilară se observă în cromatografia în strat subțire, în care un solvent se deplasează vertical pe o placă prin acțiunea capilară. În acest caz porii sunt goluri între particule foarte mici.

Acțiunea capilară atrage cerneala la vârfurile știfturilor peniței unui stilou sau în un cartuș în interiorul stiloului.

La unele perechi de materiale, cum ar fi mercurul și sticla, forțele intermoleculare din lichid depășesc forțele dintre solid și lichid, astfel încât se formează un menisc convex și acțiunea capilară funcționează în sens invers.

În hidrologie, acțiunea capilară descrie atragerea moleculelor de apă în particulele solului. Acțiunea capilară este responsabilă pentru trecerea apei subterane din zonele umede ale solului în zonele uscate. Diferențele în potențialul solului (Ψ_m) conduc acțiunea capilară în sol.

Înălțimea unui menisc

 (Înălțimea de apă într-un capilar reprezentat grafic în raport cu diametrul capilar)

Înălțimea h a coloanei de lichid este dată de Legea lui Jurin

h = 2γcosθ/ρgr,

unde g este tensiunea superficială a aerului lichid (forța/unitatea de lungime), θ este unghiul de contact, ρ este densitatea lichidului (masă/volum), g este accelerația locală datorată gravitației (lungime/timp la pătrat) și r este raza tubului. Astfel, cu cât este mai subțire spațiul în care se poate deplasa apa, cu atât mai sus se ridică.

Pentru un tub de sticlă cu apă în aer în condiții standard de laborator, γ = 0,0728 N/m la 20 °C, ρ = 1000 kg/m³ și g = 9,81 m/s². Pentru aceste valori, înălțimea coloanei de apă este

h ≈ 1,48 × 10^-5/r (metri).

Astfel, pentru un tub de sticlă cu rază de 2 m, în condițiile de laborator prezentate mai sus, apa ar crește cu 0,007 mm. În schimb, pentru un tub de rază de 2 cm, apa ar crește cu 0,7 mm, iar pentru un tub de rază de 0,2 mm, apa ar crește cu 70 mm.

Transportul lichidelor în medii poroase

(Debit capilar în cărămidă, cu o sorbtivitate de 5,0 mm·min^-1/2 și o porozitate de 0,25.)

Atunci când un mediu poros uscat, cum ar fi o cărămidă sau un fitil, este adus în contact cu un lichid, acesta va începe să absoarbă lichidul la o rată care scade în timp. Atunci când se ia în considerare evaporarea, penetrarea lichidului va atinge o limită care depinde de parametrii de temperatură, umiditate și permeabilitate. Pentru o bară de material cu suprafața A transversală care este umectată la un capăt, volumul cumulat V al lichidului absorbit după un timp t este

V = AS√t,

unde S este sorbtivitatea mediului, în unități de m·s^-1/2 sau mm·min^-1/2. Această relație de dependență de timp este similară celei a ecuației lui Washburn pentru acțiunea în capilare și în mediile capilare. Cantitatea

i = V/A

se numește absorbția cumulată a lichidului, cu dimensiunea de lungime. Lungimea umedă a barei, adică distanța dintre capătul umed al barei și așa numita față umedă, depinde de fracția f a volumului ocupat de goluri. Acest număr f este porozitatea mediului; lungimea umedă este atunci

x = i/f = (S/f)√t.

Unii autori folosesc cantitatea S/f ca sorbtivitate. Descrierea de mai sus se referă la cazul în care gravitația și evaporarea nu joacă un rol.

Sorbtivitatea este o proprietate relevantă a materialelor de construcție, deoarece afectează cantitatea de umiditate în creștere.