Acción capilar

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La acción capilar (a veces llamada capilaridad , movimiento capilar , ascenso capilar , efecto capilar o absorción ) es el proceso por el cual un líquido fluye en un espacio estrecho en oposición a, o al menos sin, la ayuda de, fuerzas externas como la gravedad .

El efecto se puede observar en la aspiración de líquidos entre los pelos de un pincel, en un tubo delgado como una pajita , en materiales porosos como el papel y el yeso, en algunos materiales no porosos como la arcilla y la fibra de carbono licuada , o en una célula biológica .

Se produce por las fuerzas intermoleculares entre el líquido y las superficies sólidas circundantes. Si el diámetro del tubo es suficientemente pequeño, la combinación de la tensión superficial (que se produce por la cohesión dentro del líquido) y las fuerzas adhesivas entre el líquido y la pared del recipiente actúan para impulsar el líquido.

El término capilar proviene del latín capillaris, que significa "de cabello o parecido a un cabello". El significado se deriva del diámetro diminuto, similar al de un cabello, de un capilar.

La primera observación registrada de la acción capilar fue realizada por Leonardo da Vinci . ^{[1] [2]} Se dice que un ex alumno de Galileo , Niccolò Aggiunti , investigó la acción capilar. ^[3] En 1660, la acción capilar todavía era una novedad para el químico irlandés Robert Boyle , cuando informó que "algunos franceses curiosos" habían observado que cuando se sumergía un tubo capilar en agua, el agua ascendía a "cierta altura en el tubo". 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. Descubrió que el vacío no tenía influencia observable en 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 gobernaba los barómetros de mercurio. ^[4]

Otros pronto siguieron el ejemplo de Boyle. ^[5] Algunos (por ejemplo, Honoré Fabri , ^[6] Jacob Bernoulli ^[7] ) pensaban que los líquidos subían en los capilares porque el aire no podía entrar en ellos tan fácilmente como los líquidos, por lo que la presión del aire era menor dentro de los capilares. Otros (por ejemplo, Isaac Vossius , ^[8] Giovanni Alfonso Borelli , ^[9] Louis Carré , ^[10] Francis Hauksbee , ^[11] Josia Weitbrecht ^[12] ) pensaban que las partículas de líquido se atraían entre sí y hacia las paredes del capilar.

Aunque los estudios experimentales continuaron durante el siglo XVIII, ^[13] un tratamiento cuantitativo exitoso de la acción capilar ^[14] no se logró hasta 1805 por dos investigadores: Thomas Young del Reino Unido ^[15] y Pierre-Simon Laplace de Francia. ^[16] Derivaron la ecuación de Young-Laplace de la acción capilar. En 1830, el matemático alemán Carl Friedrich Gauss había determinado las condiciones de contorno que rigen la acción capilar (es decir, las condiciones en la interfaz líquido-sólido). ^[17] 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 . ^[18] El físico alemán Franz Ernst Neumann (1798-1895) determinó posteriormente la interacción entre dos líquidos inmiscibles. ^[19]

El primer artículo de Albert Einstein , presentado a Annalen der Physik en 1900, trataba sobre la capilaridad. ^{[20] [21]}

La penetración capilar en medios porosos comparte su mecanismo dinámico con el flujo en tubos huecos, ya que ambos procesos se ven resistidos por fuerzas viscosas. ^[22] 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 . Se produce adhesión entre el fluido y la pared interna sólida que tira de la columna de líquido hasta que hay una masa suficiente de líquido para que las fuerzas gravitacionales 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, siempre que las moléculas de agua internas se cohesionen lo suficiente con las externas.

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 . ^[22]

En fisiología, la acción capilar es esencial para el drenaje del líquido lacrimal que se produce continuamente en el ojo. En el ángulo interno del párpado hay dos canalículos de diámetro diminuto , también llamados conductos lagrimales ; sus aberturas se pueden ver a simple vista dentro de los sacos lagrimales cuando los párpados están evertidos.

La absorción es la absorción de un líquido por un material a la manera de la mecha de una vela.

Las toallas de papel absorben líquidos por capilaridad, 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 algunos tejidos utilizan la capilaridad para "absorber" el sudor de la piel. A menudo se los conoce como tejidos absorbentes , por las propiedades capilares de las mechas de las velas y las lámparas .

La acción capilar se observa en la cromatografía de capa fina , en la que un disolvente se mueve verticalmente por una placa mediante acción capilar. En este caso, los poros son espacios entre partículas muy pequeñas.

La acción capilar atrae la tinta hacia 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 exceden las que existen entre el sólido y el líquido, por lo que se forma un menisco convexo y la acción capilar funciona a la inversa.

En hidrología , la acción capilar describe la atracción de las moléculas de agua hacia las partículas del suelo. La acción capilar es responsable de mover el agua subterránea desde las áreas húmedas del suelo a las áreas secas. Las diferencias en el potencial del suelo ( ) impulsan la acción capilar en el suelo.${\displaystyle \Psi _{m}}$

Una aplicación práctica de la acción capilar es el sifón 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 (una cuerda de algodón o una cuerda funcionan bien). Después de saturar la cuerda 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. ^[23] Un sifón capilar relacionado pero simplificado solo consta de dos varillas de acero inoxidable con forma de gancho, cuya superficie es hidrófila, lo que permite que el agua humedezca las ranuras estrechas entre ellas. ^[24] Debido a la acción capilar y la gravedad, el agua se transferirá lentamente del depósito al recipiente receptor. Este sencillo dispositivo se puede utilizar para regar las plantas de interior cuando no hay nadie en casa. Esta propiedad también se utiliza en la lubricación de locomotoras de vapor : se utilizan mechas de lana peinada para extraer aceite de los depósitos hacia las tuberías de suministro que conducen a los cojinetes . ^[25]

La acción capilar se observa en muchas plantas y desempeña un papel en la transpiración . El agua se lleva a lo alto de los árboles mediante la ramificación; la evaporación en las hojas crea despresurización; probablemente por la presión osmótica añadida en las raíces; y posiblemente en otros lugares dentro de la planta, especialmente cuando se acumula humedad con las raíces aéreas . ^{[26] [27] [28]}

La acción capilar para la captación de agua se ha descrito en algunos animales pequeños, como Ligia exótica ^[29] y Moloch horridus . ^[30]

La altura h de una columna de líquido viene dada por la ley de Jurin ^[31]

${\displaystyle h={{2\gamma \cos {\theta }} \sobre {\rho gr}},}$

donde es la tensión superficial líquido-aire (fuerza/unidad de longitud), θ es el ángulo de contacto , ρ es la densidad del líquido (masa/volumen), g es la aceleración local debido a la gravedad (longitud/cuadrado del tiempo ^[32] ), y r es el radio del tubo.${\estilo de visualización \estilo de script \gamma}$

Como r está en el denominador, cuanto más delgado sea el espacio en el que puede viajar el líquido, más ascenderá. Asimismo, cuanto más ligero sea el líquido y menor sea la gravedad, mayor será 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/m ³ y g = 9,81 m/s ² . Debido a que el agua se esparce sobre el vidrio limpio, el ángulo de contacto de equilibrio efectivo es aproximadamente cero. ^[33] Para estos valores, la altura de la columna de agua es

${\displaystyle h\approx {{1,48\times 10^{-5}\ {\mbox{m}}^{2}} \sobre r}.}$

Por lo tanto, para un tubo de vidrio de 2 m (6,6 pies) de radio en las condiciones de laboratorio indicadas anteriormente, el agua subiría unos imperceptibles 0,007 mm (0,00028 pulgadas). Sin embargo, para un tubo de 2 cm (0,79 pulgadas) de radio, el agua subiría 0,7 mm (0,028 pulgadas), y para un tubo de 0,2 mm (0,0079 pulgadas) de radio, el agua subiría 70 mm (2,8 pulgadas).

El producto del espesor de la 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.
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Cuando un medio poroso seco entra en contacto con un líquido, absorberá el líquido a una velocidad que disminuye 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 ^[22] y se observa ampliamente en situaciones comunes, incluida la absorción de fluidos en papel y la humedad ascendente en paredes de concreto o mampostería. Para una sección de material en forma de barra con un área de sección transversal A que se humedece en un extremo, el volumen acumulado V de líquido absorbido después de un tiempo t es

${\displaystyle V=AS{\sqrt {t}},}$

donde S es la sorptividad 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. ^[34] La cantidad

${\displaystyle i={\frac {V}{A}}}$

Se denomina absorción de líquido acumulada, con la dimensión de la 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 huecos. Este número f es la porosidad del medio; la longitud mojada es entonces

${\displaystyle x={\frac {i}{f}}={\frac {S}{f}}{\sqrt {t}}.}$

Algunos autores utilizan la cantidad S/f como la sortividad. ^[35]

La descripción anterior es para el caso en el que la gravedad y la evaporación no juegan un papel.

La sorción es una propiedad importante de los materiales de construcción, ya que afecta la cantidad de humedad ascendente . Algunos valores de la sorción de los materiales de construcción se encuentran en la siguiente tabla.

• Número de enlace  : número adimensional en dinámica de fluidosPáginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Agua ligada  : Capa delgada de agua que rodea las superficies minerales.
• Franja capilar  : capa subterránea en la que el agua subterránea se filtra desde un nivel freático por acción capilar.
• Presión capilar  : presión entre dos fluidos debido a las fuerzas entre los fluidos y las paredes del tubo.
• Onda capilar  : Onda en la superficie de un fluido, dominada por la tensión superficial.
• Puentes capilares  : superficie minimizada del líquido que conecta dos objetos mojados
• Impermeabilización  : tipo de control de humedad en la construcción de edificios
• Ley de Darcy  : ecuación que describe el flujo de un fluido a través de un medio poroso
• Flor de escarcha  : capa fina de hielo extruida de una planta
• Levantamiento por congelación  : hinchazón del suelo hacia arriba durante las heladas
• El milagro hindú de la leche  : supuestos incidentes milagrosos de 1995Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Modelo de Krogh
• Porosimetría  – Medición y caracterización de la porosidad de un material
• Hielo en forma de aguja  : columna de hielo que se forma cuando el agua subterránea líquida se eleva hasta el aire helado.
• Tensión superficial  : tendencia de la superficie de un líquido a encogerse para reducir el área superficial.
• Ecuación de Washburn  : ecuación que describe la longitud de penetración de un líquido en un tubo capilar con el tiempo.
• Ecuación de Young-Laplace  : descripción de la diferencia de presión en una interfaz en mecánica de fluidos

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• de Gennes, Pierre-Gilles; Brochard-Wyart, Françoise; Quéré, David (2004). Fenómenos de capilaridad y humectación . Springer Nueva York. doi :10.1007/978-0-387-21656-0. ISBN 978-1-4419-1833-8.