Acción capilar
Acción capilar (a veces llamada capilaridad, movimiento capilar, ascenso capilar, efecto capilar, o wicking) es el proceso de un líquido que fluye en un espacio estrecho sin la ayuda de, o incluso en oposición a, cualquier fuerza externa como la gravedad. El efecto se puede ver en la extracción de líquidos entre los pelos de un pincel, en un tubo delgado, en materiales porosos como papel y yeso, en algunos materiales no porosos como arena y fibra de carbono licuada, o en una célula biológica. Ocurre debido a las fuerzas intermoleculares entre el líquido y las superficies sólidas circundantes. Si el diámetro del tubo es lo suficientemente pequeño, entonces la combinación de la tensión superficial (causada por la cohesión dentro del líquido) y las fuerzas adhesivas entre el líquido y la pared del recipiente actúan para impulsar el líquido.
Etimología
Capilar proviene de la palabra latina capillaris, que significa "del cabello o parecido al cabello". El significado se deriva del diminuto diámetro, parecido a un cabello, de un capilar. Si bien capilar generalmente se usa como sustantivo, la palabra también se usa como adjetivo, como en "acción capilar" en el que un líquido se mueve a lo largo, incluso hacia arriba, en contra de la gravedad, a medida que el líquido es atraído por la superficie interna de los capilares.
Historia
La primera observación registrada de la acción capilar fue de Leonardo da Vinci. Se dice que un ex alumno de Galileo, Niccolò Aggiunti, investigó la acción capilar. En 1660, la acción capilar era todavía una novedad para el químico irlandés Robert Boyle, cuando informó que "algunos hombres franceses curiosos" había observado que cuando un tubo capilar se sumergía en agua, el agua ascendía a "alguna altura en la tubería". Boyle luego informó de un experimento en el que sumergió un tubo capilar en vino tinto y luego sometió el tubo a un vacío parcial. Encontró que el vacío no tenía ninguna influencia observable sobre la altura del líquido en el capilar, por lo que el comportamiento de los líquidos en los tubos capilares se debía a algún fenómeno diferente del que rige en los barómetros de mercurio.
Otros pronto siguieron el ejemplo de Boyle. Algunos (p. ej., Honoré Fabri, Jacob Bernoulli) pensaban que los líquidos subían en los capilares porque el aire no podía entrar en los capilares tan fácilmente como los líquidos, por lo que la presión del aire era más baja dentro de los capilares. Otros (por ejemplo, Isaac Vossius, Giovanni Alfonso Borelli, Louis Carré, Francis Hauksbee, Josia Weitbrecht) pensaron que las partículas de líquido se atraían entre sí y hacia las paredes del capilar.
Aunque los estudios experimentales continuaron durante el siglo XVIII, dos investigadores: Thomas Young del Reino Unido y Pierre-Simon Laplace de Francia no lograron un tratamiento cuantitativo exitoso de la acción capilar hasta 1805. Derivaron la ecuación de Young-Laplace de acción capilar. Para 1830, el matemático alemán Carl Friedrich Gauss había determinado las condiciones de contorno que gobiernan la acción capilar (es decir, las condiciones en la interfase líquido-sólido). En 1871, el físico británico Sir William Thomson (más tarde Lord Kelvin) determinó el efecto del menisco en la presión de vapor de un líquido, una relación conocida como la ecuación de Kelvin. Posteriormente, el físico alemán Franz Ernst Neumann (1798–1895) determinó la interacción entre dos líquidos inmiscibles.
El primer artículo de Albert Einstein, que se envió a Annalen der Physik en 1900, trataba sobre la capilaridad.
Fenómenos y física
La penetración capilar en medios porosos comparte su mecanismo dinámico con el flujo en tubos huecos, ya que ambos procesos son resistidos por fuerzas viscosas. En consecuencia, un aparato común utilizado para demostrar el fenómeno es el tubo capilar. Cuando el extremo inferior de un tubo de vidrio se coloca en un líquido, como el agua, se forma un menisco cóncavo. La adhesión se produce entre el fluido y la pared interna sólida que tira de la columna de líquido hasta que hay suficiente masa de líquido para que las fuerzas gravitatorias superen estas fuerzas intermoleculares. La longitud de contacto (alrededor del borde) entre la parte superior de la columna de líquido y el tubo es proporcional al radio del tubo, mientras que el peso de la columna de líquido es proporcional al cuadrado del radio del tubo. Por lo tanto, un tubo estrecho arrastrará una columna de líquido más lejos que un tubo más ancho, dado que las moléculas de agua internas se adhieren lo suficiente a las externas.
Ejemplos
En el entorno construido, la penetración capilar limitada por evaporación es responsable del fenómeno de la humedad ascendente en el hormigón y la mampostería, mientras que en la industria y la medicina diagnóstica este fenómeno se aprovecha cada vez más en el campo de la microfluídica basada en papel.
En fisiología, la acción capilar es esencial para el drenaje del líquido lagrimal producido continuamente por el ojo. Dos canalículos de pequeño diámetro están presentes en la esquina interna del párpado, también llamados conductos lagrimales; sus aberturas se pueden ver a simple vista dentro de los sacos lagrimales cuando los párpados están evertidos.
La mecha es la absorción de un líquido por un material a la manera de la mecha de una vela. Las toallas de papel absorben líquido a través de la acción capilar, lo que permite que un fluido se transfiera de una superficie a la toalla. Los pequeños poros de una esponja actúan como pequeños capilares, lo que hace que absorba una gran cantidad de líquido. Se dice que algunas telas textiles utilizan la acción capilar para "mechar" sudor lejos de la piel. Estos a menudo se denominan telas absorbentes, por las propiedades capilares de las mechas de velas y lámparas.
La acción capilar se observa en la cromatografía en capa fina, en la que un disolvente se mueve verticalmente hacia arriba en una placa a través de la acción capilar. En este caso los poros son espacios entre partículas muy pequeñas.
La acción capilar atrae la tinta hacia las puntas de las puntas de las plumas estilográficas desde un depósito o cartucho dentro de la pluma.
Con algunos pares de materiales, como el mercurio y el vidrio, las fuerzas intermoleculares dentro del líquido superan a las existentes entre el sólido y el líquido, por lo que se forma un menisco convexo y la acción capilar funciona a la inversa.
En la hidrología, la acción capilar describe la atracción de las moléculas de agua a las partículas del suelo. La acción capilar es responsable de trasladar las aguas subterráneas de las zonas húmedas del suelo a las zonas secas. Diferencias en potencial de suelo (Ψ Ψ m{displaystyle ¿Qué?) unidad acción capilar en el suelo.
Una aplicación práctica de la acción capilar es el sifón de acción capilar. En lugar de utilizar un tubo hueco (como en la mayoría de los sifones), este dispositivo consiste en un trozo de cuerda hecha de un material fibroso (la cuerda de algodón o la cuerda funcionan bien). Después de saturar el cordón con agua, un extremo (pesado) se coloca en un depósito lleno de agua y el otro extremo se coloca en un recipiente receptor. El depósito debe estar más alto que el recipiente receptor. Un sifón capilar relacionado pero simplificado solo consta de dos varillas de acero inoxidable en forma de gancho, cuya superficie es hidrófila, lo que permite que el agua humedezca las estrechas ranuras entre ellas. Debido a la acción capilar y la gravedad, el agua se transferirá lentamente desde el depósito hasta el recipiente receptor. Este sencillo dispositivo se puede utilizar para regar las plantas de interior cuando no hay nadie en casa. Esta propiedad también se aprovecha en la lubricación de las locomotoras de vapor: se utilizan mechas de lana peinada para extraer el aceite de los depósitos hacia las tuberías de suministro que conducen a los cojinetes.
En plantas y animales
La acción capilar se observa en muchas plantas y juega un papel en la transpiración. El agua sube a lo alto de los árboles mediante la ramificación; evaporación en las hojas creando despresurización; probablemente por presión osmótica añadida en las raíces; y posiblemente en otros lugares dentro de la planta, especialmente cuando se acumula humedad con raíces aéreas.
La acción capilar para la captación de agua se ha descrito en algunos animales pequeños, como Ligia exotica y Moloch horridus.
Altura de un menisco
Ascenso capilar de líquido en un capilar
La altura h de una columna de líquido viene dada por la ley de Jurin
- h=2γ γ # Silencio Silencio *** *** gr,{displaystyle h={2gammacos {theta} {rho gr}}}
Donde γ γ {displaystyle scriptstyle gamma } es la tensión de la superficie del aire líquido (longitud de fuerza/unidad), Silencio es el ángulo de contacto, *** es la densidad del líquido (masa/volumen), g es la aceleración local debido a la gravedad (duración/cuadra de tiempo) y r es el radio del tubo.
Como r está en el denominador, cuanto más delgado es el espacio en el que puede viajar el líquido, más arriba sube. Asimismo, el líquido más ligero y la gravedad más baja aumentan la altura de la columna.
Para un tubo de vidrio lleno de agua en el aire en condiciones estándar de laboratorio, γ = 0,0728 N/m a 20 °C, ρ = 1000 kg/m3, y g = 9,81 m/s2. Como el agua se esparce sobre el vidrio limpio, el ángulo de contacto de equilibrio efectivo es aproximadamente cero. Para estos valores, la altura de la columna de agua es
- h.. 1.48× × 10− − 5m2r.{displaystyle happrox {{1.48times 10^{-5}mbox{m}}{2}} {fnMicrosoft Sans Serif}
Por lo tanto, para un tubo de vidrio de 2 m (6,6 ft) de radio en las condiciones de laboratorio indicadas anteriormente, el agua subiría imperceptiblemente 0,007 mm (0,00028 in). Sin embargo, para un tubo de 2 cm (0,79 in) de radio, el agua subiría 0,7 mm (0,028 in), y para un tubo de 0,2 mm (0,0079 in) de radio, el agua subiría 70 mm (2,8 in).
Ascenso capilar de líquido entre dos placas de vidrio
El producto del espesor de capa (d) y la altura de elevación (h) es constante (d·h = constante), las dos cantidades son inversamente proporcionales. La superficie del líquido entre los planos es una hipérbola.
- Agua entre dos placas de vidrio
Transporte de líquidos en medios porosos
Cuando un medio poroso seco se pone en contacto con un líquido, absorberá el líquido a una velocidad que disminuirá con el tiempo. Al considerar la evaporación, la penetración del líquido alcanzará un límite que depende de los parámetros de temperatura, humedad y permeabilidad. Este proceso se conoce como penetración capilar limitada por evaporación y se observa ampliamente en situaciones comunes que incluyen la absorción de fluidos en el papel y la humedad ascendente en paredes de hormigón o mampostería. Para una sección de material en forma de barra con un área transversal A que se humedece en un extremo, el volumen acumulativo V de líquido absorbido después de un tiempo t es
- V=ASt,{displaystyle V=AS{sqrt}}}
donde S es la sorción del medio, en unidades de m·s−1/2 o mm·min−1/2. Esta relación de dependencia del tiempo es similar a la ecuación de Washburn para la absorción en capilares y medios porosos. La cantidad
- i=VA{displaystyle i={frac {fn}}
Se denomina ingesta líquida acumulada, con la dimensión de longitud. La longitud mojada de la barra, es decir, la distancia entre el extremo mojado de la barra y el llamado frente húmedo, depende de la fracción f del volumen ocupado por vacíos. Este número f es la porosidad del medio; la longitud mojada es entonces
- x=if=Sft.{displaystyle x={frac {} {f}={frac} {S} {f} {f} {f}} {f}} {f} {f}} {f}} {f}} {f}}}} {f}}} {f}}} {f}} {f}}} {f}} {f}}}} {f}}}}}}}}} {f}}} {f}}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}} {f} {f}}}}} {f} {f}} {f}} {f} {f}}}}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {f}}}} {f}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}} {
Algunos autores utilizan la cantidad S/f como sorción. La descripción anterior es para el caso en que la gravedad y la evaporación no intervienen.
La sorción es una propiedad relevante de los materiales de construcción, ya que afecta la cantidad de humedad ascendente. Algunos valores de sorción de los materiales de construcción se encuentran en la siguiente tabla.
| Material | Sorptivity (mm·min1/2−) |
|---|---|
| hormigón armado | 0,50 |
| yeso de yeso | 3.50 |
| Clay ladrillo | 1.16 |
| Mortar | 0 |
| ladrillo de hormigón | 0.20 |
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