capillarità

PIANO ISS P r e s i d i o M I L A N O
Istituto Tecnico Industriale Statale
Liceo Scientifico Tecnologico
“Ettore Molinari”
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P.D. 2B Fenomeni di superficie ed interfaccia
Approfondimento
La capillarità
Osserviamo la superficie dell’acqua contenuta in un tubicino di vetro molto stretto, detto tubo
capillare: essa non è orizzontale, perché l’acqua raggiunge un livello più alto lungo le pareti del
tubicino e più basso al suo centro. Nel caso di tubicini molto stretti la superficie di contatto tra
il liquido e il recipiente è molto elevata e un grande numero di particelle di liquido sono in
contatto con il recipiente. A volte, come nel caso dell’acqua, le particelle che la compongono
“preferiscono” il contatto con il vetro che con le molecole a loro simili; per questo motivo “si
arrampicano” lungo le pareti del capillare. In altri casi, come quello del mercurio, le molecole
del liquido tendono a evitare il contatto con le particelle del recipiente e così si “accumulano” al
centro del tubicino.1
I fenomeni di capillarità sono connessi con le forze di tensione superficiale. Il menisco del
liquido, in un capillare che ne bagni le pareti, diventa concavo, si contrae e solleva il liquido nel
tubo, in tale situazione la forza dovuta alla tensione superficiale e quella dovuta alla gravità,
che agisce sul liquido salito nel capillare, si equilibrano.
Se il liquido, per esempio il mercurio, non bagna le pareti del tubo, il livello del menisco si
abbassa rispetto a quello esterno.5
Quando un liquido bagna la superficie di un'altra sostanza le
forze di adesione tra le molecole che lo costituiscono sono molto
più intense rispetto a quelle di coesione; come risultato, la
superficie di una stretta colonna di liquido in un tubo è concava
verso l'alto. Se la superficie del liquido è concava verso l'alto, la
tensione superficiale in corrispondenza delle pareti del tubo sarà
diretta verso l'alto (la forza F in figura a destra): l'elevata
intensità delle forze di adesione del liquido con le pareti del
capillare, costringe il livello sopra il pelo libero dell'acqua. La
componente verticale di questa forza, applicata a tutto il bordo
del liquido aderente al capillare, è quella che sorregge il liquido
ed ha F— cos θ, dove l'angolo è quello indicato in figura ed è detto
angolo di contatto. Ora, considerando che il bordo di contatto
corrisponde alla circonferenza del capillare (2 — θ— r), si possono
calcolare alcuni elementi:
la forza verticale, F, risulta:
F = γ · 2 · π · r · cos θ
il volume, V, del liquido nel capillare, trascurando la lieve curvatura sulla superficie, risulta:
V = π· r2 · h
il peso, P, del liquido nel capillare, risulta:
P = π · r 2 · h· d· g
dove: d = densità del liquido; g = accelerazione di gravità
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eguagliando la forza, F, diretta verso l'alto al peso, P, della colonna di liquido, si ha:
γ · 2 · π · r · cos θ = π · r 2 · dgh
da questa eguaglianza, si ricava l'altezza h raggiunta dal liquido :
θ = 90o, allora h = 0 ed il fluido non si innalza né si abbassa;
se θ < 90o, cos θ è positivo e così anche h: questo significa che il liquido si solleva sopra il pelo
se
libero dell'acqua (in questo caso prevalgono le forze di adesione tra liquido e capillare).
se θ > 90o, cos θ è negativo e così anche h: questo significa che il liquido si abbassa sotto il
pelo libero dell'acqua (in questo caso prevalgono le forze di coesione del liquido).
l'elevata intensità delle forze di
coesione del liquido costringe il livello
nel capillare sotto il pelo libero
dell'acqua
Come mostra la formula precedente, l'altezza h è direttamente proporzionale a cosθ e a γ per
cui più grande è il valore del coefficiente di tensione superficiale, maggiore è l'effetto della
capillarità; l'altezza capillare è anche inversamente proporzionale al raggio, r, del capillare,
minore è il raggio, maggiore è l'altezza.
Si noti che i fenomeni capillari danno ragione a risultati contrari al principio dei vasi
comunicanti, per il quale l'acqua raggiunge lo stesso livello in tutti i recipienti tra loro collegati.
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La capacità delle carte assorbenti di raccogliere acqua è la manifestazione del fenomeno della
capillarità. Il fenomeno della capillarità si può sfruttare per colorare i fiori: immergendo lo stelo
di un fiore in una soluzione di colorante, questo risale per capillarità lungo il gambo fino a
raggiungere i petali, colorandoli.
Per contro, il fenomeno della capillarità non spiega come sia possibile che l'acqua risalga dalle
radici fino alle foglie di piante alte anche molti metri. Per fissare le idee, si consideri che
all'interno del tronco delle piante ci sono degli stretti canali, xilema (con un diametro che può
variare tra 0.05 e 0.50 mm), formati da cellule vuote perché morte, impilate in modo da
formare una lunga colonna (con le pareti cellulari divisorie mancanti, in quanto riassorbite):
l'acqua sale al loro interno, risalendo - quindi in senso contrario alla forza di gravità - fino ad
un'altezza massima di circa 30 cm (per uno xilema di 0.05 mm). Questo significa che la risalita
della linfa in alberi molto alti richiede una spiegazione più complessa. 2
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capillarità www.galenotech.org/chimfis7.htm - 10k -