1

EL FENOMENO CAPILAR

Tensión Superficial El agua posee cierta tensión superficial (75 Dinas/cm = 0.0764 gr/cm). En tubos muy estrechos (tubos Capilares) esta propiedad se manifiesta por la ascensión por si misma formando un menisco. Cuanto más estrecho el tubo, más sube el agua, y cuando se logra el equilibrio, el menisco toma la forma de una semiesfera de diámetro igual al del tubo.

El menisco formado se caracteriza por tener un desnivel de presión, así, la presión en el lado convexo es siempre menor que la existente en el lado cóncavo. Lo anteriormente expuesto se puede probar con el experimento siguiente:

Si mediante el dispositivo en contacto con la superficie de agua, se inyecta aire hasta alcanzar una presión “P”, el líquido sede ante esta presión formándose un menisco. Justamente antes de romperse el menisco, este tiene la forma semiesférica de diámetro “D”.

En esta situación:

Donde R= radio de la esfera.

A= área de la semiesfera

Si el radio crece un diferencial (dR), el área de la esfera se incrementa en:

( )

( ) El incremento será:

El diferencial de trabajo necesario para la formación de este menisco será:

( )

Considerando el menisco como una superficie libre tendremos que por un lado actua la presión P y por el otro la presión PA (despreciando la presión hidrostática). Luego la fuerza neta que obra en un elemento diferencial de esa área será:

( )

Cuando el área del menisco se incrementa en dA, esa fuerza realizará un trabajo:

( )

Donde dR: es la distancia radial recorrida por el menisco al incrementarse dA.

El trabajo total realizado por dA puede obtenerse al integrar la expresión anterior en todo el área del menisco con lo que obtendríamos:

( ) ( )

( ) ( ) ( )

2

La expresión anterior indica que la presión en el lado cóncavo es siempre mayor a la que soporta el lado convexo del menisco.

Angulo de contacto Un líquido abierto al aire contenido en un recipiente, toma, de acuerdo a las leyes de la hidrostática, las superficies siguientes:

Si consideramos una molécula superficial del líquido en la vecindad con la pared sólida esta va ha estar sujeta a dos tipos de fuerzas:

Cohesión (que se desarrolla entre moléculas iguales)

Adhesión (que se desarrolla entre moléculas desiguales)

Según la magnitud de estas fuerzas tendremos:

Caso A (agua y vidrio):

Donde FA > FC

α = Ángulo de contacto

Caso B (mercurio y vidrio):

Donde FA < FC

α = Ángulo de contacto

Para que un líquido este en reposo es condición que los empujes que sufra sean normales a la superficie correspondiente. Según esto, la superficie necesita curvarse de tal modo que la superficie resulte normal a las fuerzas R resultantes en cada caso.

El ángulo (α) que forma la superficie con la pared del recipiente se llama ángulo de contacto, así:

La plata limpia y el agua forman un ángulo (α) muy cercano a 90o (ausencia de menisco).

Ascensión Capilar Se ha visto que el menisco alcanza su máxima curvatura asemejándose a la forma semiesférica (en tubos capilares)

En la fig. (1)

Pero la presión en “M” debe ser la atmosférica, luego el sistema no está en equilibrio

( )

3 La Pneta es la que obliga a subir el nivel hasta lograr una columna de agua que equilibre el sistema.

En la fig. (2):

Pero:

Una vez que el agua a ascendido, la presión en “M”es:

La presión en M:

Pero cuando se alcanza el equilibrio debe cumplirse que:

Donde:

h Altura que debe subir el agua, Ts Tensión superficial del agua, α Ángulo de contacto, r Radio del tubo capilar, γw Peso específico del agua.

Efectos capilares La tensión superficial en un líquido es debida a la atracción intermolecular. Las fuerzas de atracción que se desarrollan en el seno del fluido se contrarrestan, no así en las molécdulas superficiales, originándose un estado de tensión en toda la superficie.

Uno de los principales efectos es el de la ascensión capilar en tubos capilares verticales. Si consideramos que:

⁄

La altura de ascensión capilar en la práctica podrá calcularse como:

Donde:

h: altura de ascensión en cm. D: diámetro del tubo capilar en cm.

⁄ ⁄

4

( )( )( )( )( )

( )( )( )( ) ( )

⁄

⁄

⁄

Según la Ley de la hidrostática, la distribución de presiones bajo la superficie de un líquido debe ser lineal, así:

d Tensión uniforme comunicada a toda la masa del agua DENTRO DEL TUBO

Donde:

u Esfuerzo de tensión en el líquido inmediatamente debajo del menisco R Radio del menisco r Radio del tubo capilar Si R = r entonces, cos α + 1 , y α = 0

o

Implica que el menisco es de forma exactamente esférica, para lo cual el tubo capilar debe tener suficiente altura que permita desarrollar el menisco.

Si el tubo capilar es corto, la ascensión capilar queda restringida, y el menisco formado debe ajustar su curvatura a la necesaria para establecer el equilibrio.

Si un tubo capilar se llena de agua y se lo coloca horizontalmente, se producirá en sus extremos meniscos cóncavos debido a la evaporación del agua, hasta que este adquiera la forma semiesférica; simultáneamente los esfuerzos de tensión se harán máximos para el diámetro del tubo en cuestión.

Si el proceso de evaporación continúa, los meniscos se retraerán al interior del tubo conservando su curvatura, por lo tanto, los esfuerzos de tensión son los mismos a lo largo

5 de todo el tubo. En dos tubos capilares unidos de diferente diámetro, siendo la tensión en el líquido igual en ambos extremos, R debe ser el mismo.

Al evaporar el agua, el menisco del tubo de mayor diámetro tomará la forma semiesférica de radio igual al del tubo; igual menisco se formará en el tubo de menor diámetro (menisco NO DESARROLLADO). Al avanzar el proceso de secado, se retraerá únicamente el menisco en el tubo de mayor diámetro hasta alcanzar el tubo de menor diámetro, cambiando la curvatura hasta asumir la forma semiesférica de radio igual a este tubo y la retracción del menisco ocurrirá en ambos extremos del tubo con la misma curvatura.

En un sistema de tubos de diferente diámetro intercomunicados, todos los meniscos tendrán el mismo radio de curvatura.

La formación del menisco en un tubo capilar horizontal formado por la evaporación del agua, desarrollará esfuerzos de tensión en los extremos del tubo originados por la Tensión Superficial en la periferia.

Por efecto de estas fuerzas, las paredes del tubo sufren reacciones “FR “de presión capilar, que en el caso de un tubo totalmente elástico lograrían cerrar el tubo acortando su longitud. Una masa de compresible atravesada por tubos capilares sujeta a evaporación, se contraerá por tales efectos (DISMINUCION DE VOLUMEN).

Proceso de Contracción en Suelos Finos Un suelo saturado presenta una superficie brillante que se torna opaca al evaporar el agua debido a la formación de los meniscos en los poros del suelo. Al continuar el proceso de secado, los meniscos van disminuyendo su radio de curvatura generando en consecuencia, tensiones sobre las partículas sólidas que se comprimen por tales efectos hasta tal punto en que, las tensiones no puedan producir mayores deformaciones; en ese instante, se inicia la retracción del menisco al interior del suelo, el color cambia de oscuro a claro.

En el suelo, los poros y canalículos son de diámetros muy variados, por lo que, los meniscos que se formen irán gradualmente disminuyendo en su radio de curvatura hasta alcanzar el radio más pequeño para el que el menisco, totalmente desarrollado, produzca en el suelo la máxima tensión capilar que origina a su vez, la mayor deformación de la estructura sólida; en ese instante, el suelo habrá alcanzado su Límite de Contracción, cualquier evaporación de agua posterior (secado) causará únicamente la retracción de los meniscos hacia el interior de la masa, sin variación volumétrica.