Capillarità

La capillarità è definita come il movimento dell’acqua all’interno degli spazi di un materiale poroso dovuto alle forze di adesione, forze di coesione e tensione superficiale. La capillarità è un fenomeno naturale che si evidenzia inserendo un’estremità di un tubo stretto in un recipiente d’acqua e osservando la risalita dell’acqua all’interno del tubo.

Si può notare utilizzando tubi di diversa larghezza, che man mano che il raggio diminuisce, l’altezza a cui l’acqua sale aumenta. La capillarità dipende anche dalla densità del liquido. Se il liquido è più denso, allora il livello di salita o discesa del liquido all’interno del capillare non sarà tanto quanto quello di un liquido con densità inferiore.

La capillarità si verifica solo quando le forze adesive sono più forti delle forze coesive e determina l’ascensione di liquidi attraverso un tubo sottile. La capillarità è sfruttata nella cromatografia su strato sottile utilizzata per separare i composti di una miscela in base alla loro affinità. In questa tecnica la fase stazionaria è rappresentata da uno strato sottile di materiale adsorbente, come gel di silice o ossido di alluminio, sulla cui estremità viene posta una goccia del campione.

Terreno e capillarità

Il fenomeno della capillarità si verifica anche nel terreno nello stesso modo in cui l’acqua si muove verso l’alto attraverso un tubo contro la forza di gravità; l’acqua si muove verso l’alto attraverso i pori del terreno, ovvero gli spazi tra le particelle del terreno.

La capillarità del suolo può essere definita come la forza primaria che consente al suolo di trattenere l’acqua e di regolarne il movimento. I terreni argillosi hanno la capillarità più elevata, seguiti dai terreni limosi e infine dai terreni sabbiosi.

Questo perché i terreni argillosi sono costituiti da particelle più piccole e pertanto, trattengono meglio l’acqua. Più piccoli sono gli spazi, più l’acqua sale nel terreno. Ciò significa che il terreno argilloso consente all’acqua di salire più in alto rispetto ai terreni sabbiosi e limosi.

Nel settore edile, la risalita capillare è importante per conoscere l’accumulo di umidità nei muri che può causare gravi danni e indebolire la struttura infatti i materiali da costruzione, come calcestruzzo, aggregati e sabbia, sono porosi e consentono alle molecole d’acqua di salire grazie all’azione capillare.

Piante

Le piante e gli alberi non potrebbero vivere senza l’azione capillare. Le piante usano l’acqua per mantenere sane le loro radici, steli, foglie e fiori e per evitare che si secchino e appassiscano.

L’acqua viene anche usata per trasportare i nutrienti disciolti in tutta la pianta.

Nella maggior parte dei casi, le piante attingono l’acqua dal terreno. Ciò significa che devono trasportare l’acqua dalle loro radici verso l’alto e attraverso il resto della pianta. Ma l’azione capillare può solo consentire di spostare l’acqua verso l’alto per una piccola distanza, dopo di che non può vincere la gravità.

Per far arrivare l’acqua a tutti i rami e le foglie, le forze di adesione e coesione entrano in azione nello xilema, tessuto vascolare vegetale che trasporta e minerali disciolti dalle radici al resto della pianta della pianta per spostare l’acqua verso la foglia più lontana.

Capillari

Il cuore e i vasi sanguigni costituiscono l’apparato circolatorio. Il sangue che circola in questo sistema fornisce ossigeno e nutrienti ai tessuti del corpo e rimuove i prodotti di scarto dai tessuti. Il sangue viaggia dal cuore nelle arterie, che si ramificano in vasi sempre più piccoli, diventando infine arteriole.

Le arteriole si collegano a vasi sanguigni ancora più piccoli chiamati capillari. Attraverso le sottili pareti dei capillari, l’ossigeno e i nutrienti passano dal sangue ai tessuti e i prodotti di scarto passano dai tessuti al sangue. Dai capillari, il sangue passa nelle venule, quindi nelle vene per tornare al cuore.

I capillari sono vasi minuscoli, con pareti estremamente sottili, che fungono da ponte tra arterie che trasportano il sangue lontano dal cuore e vene che trasportano il sangue di ritorno al cuore. Le pareti sottili dei capillari consentono all’ossigeno e ai nutrienti di passare dal sangue ai tessuti e consentono ai prodotti di scarto di passare dai tessuti al sangue.

Legge di Jurin

La legge di Jurin, dovuta al fisico britannico James Jurin che la enunciò tra il 1718 e il 1719, nota anche come legge della capillarità, descrive l’andamento dell’altezza a cui un liquido sale o scende in un tubo stretto a causa dell’azione capillare. L’espressione matematica di questa legge può essere derivata direttamente dai principi idrostatici e dall’equazione di Young-Laplace.

Si supponga che un liquido salga per capillarità lungo uno stretto tubo verticale di raggio R e di lunghezza L_c in cui L_c> R. Si supponga che l’interfaccia liquido-aria abbia una forma sferica, che può puntare verso l’alto o verso il basso a seconda del liquido.

Questa interfaccia ha quindi un raggio di curvatura costante r determinato dall’angolo di contatto Θ del liquido con il tubo e pertanto r = R/cos Θ. Il liquido è a riposo quando la pressione idrostatica è uguale alla pressione di Laplace risultante.

La legge afferma che l’altezza a cui un liquido sale o scende in un tubo capillare è inversamente proporzionale al diametro del tubo e direttamente proporzionale alla tensione superficiale del liquido e al coseno dell’angolo di contatto ed è espressa come:

h = 2 γ cos Θ /ρ g r₀ (1)
dove h è l’altezza del liquido, γ è la tensione superficiale, Θ è l’angolo di contatto del liquido con il tubo, ρ è la densità del liquido, g è l’accelerazione di gravità e r₀ è il raggio del capillare.

Problemi sulla legge di Jurin

Un tubo capillare di diametro uniforme è immerso verticalmente in acqua che sale per capillarità di 0.07 m nel tubo. Trovare il raggio del capillare se la tensione superficiale è 0.07 N/m, la densità è 1000 kg/m³ e l’angolo di contatto Θ è pari a 0.

Dalla (1) r₀ = 2 γ cos Θ /ρ g h = 2 · 0.07 cos 0/ 1000 · 9.8· 0.07 = 0.0002 m = 0.2 mm

Un liquido di densità 900 kg/m³ sale per capillarità a un’altezza di 7 mm in un tubo capillare di 2 mm di diametro interno. Se l’angolo di contatto del liquido nel vetro è di 25°, trovare la tensione superficiale del liquido.

Il raggio del tubo è pari a 2/1 = 1 mm

Dalla (1) γ  = h ρ g r₀ / 2 cos Θ = 0.007 · 900 · 9.8 · 0.001 /2 cos 25 = 0.034 N/m

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