Capilaridade
Capilaridade é um fenômeno da hidrostática, ramo da mecânica que estuda a ação de forças aplicada por (e sobre) fluídos. Sua ação ocorre em tubos bem finos, chamados de capilares, e devido à ação de forças de tensão superficial. Para subir, ou descer, o líquido necessita de uma força de adesão que atraia as moléculas do líquido às paredes do tubo.
Esse fenômeno descreve como grande parte das plantas consegue distribuir a água presente no solo até as suas folhas mais altas, assim como uma vela irá se manter acesa durante horas devido à ação capilar da cera pelo pavio. Matematicamente, é possível associar a altura atingida por um líquido em um capilar com o diâmetro deste por meio da lei de Jurin.
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Resumo sobre capilaridade
- Capilaridade é uma ação sobre líquidos em tubos com diâmetros muito finos.
- A tensão superficial entre as moléculas do líquido deslocará seu conteúdo por meio da adesão com as paredes do tubo.
- A ação da capilaridade explica a distribuição da água, presente no solo, em camadas mais altas de uma planta.
- Matematicamente, pela lei de Jurin, se descreve a relação inversamente proporcional entre o diâmetro de um tubo capilar com a altura atingida pelo líquido em sua ascensão.
O que é capilaridade?
Capilaridade é o fenômeno hidrostático, de atração ou repulsão, em que o líquido em contato com a superfície molhada de um tubo fino pode subir ou descer por seu comprimento.
Ao imergir um tubo em um líquido em que haja tendência de aderência do líquido com as paredes do tubo, a fina superfície que se formará pela estrutura mudará de forma significativa a pressão interna dentro do capilar, tornando-se menor que a pressão atmosférica presente do lado externo. A diferença de pressão fará com que o líquido se desloque pelo capilar até que se atinja o equilíbrio hidrostático.
De acordo com experimentos práticos, alguns fluidos subirão ou descerão por conta da capilaridade. Para líquidos que interagem e aderem na superfície do capilar, o movimento será de subida através do comprimento. Para matérias que não têm essa característica, como o mercúrio, o movimento observado pela coluna será de descida.
Como funciona a capilaridade
Para entender o fenômeno da capilaridade, é necessário ter a compreensão de uma interação conhecida como tensão superficial. A tensão superficial descreve como as moléculas de um líquido formam uma superfície com uma baixa energia de ligação.
Dessa forma, quando existe a aderência do líquido com a parede do capilar (o tubo com diâmetro pequeno), a resultante das forças gerará a pressão hidrostática capilar. Essa pressão interna, menor que a pressão atmosférica, faz com que o líquido suba pelo comprimento do tubo até que sua coluna de pressão entre em equilíbrio hidrostático com a pressão atmosférica.
Em líquidos nos quais não exista a aderência, a tensão superficial será maior que as interações de adesão, podendo fazer com que o líquido desça pelo comprimento; logo, a pressão hidrostática capilar depende de forma predominante da natureza do líquido em relação às paredes sólidas do tubo em que se encontra.
Exemplos de capilaridade
A capilaridade é um fenômeno da hidrostática amplamente observado no cotidiano. Não apenas em tecnologias e aplicações práticas de seu conceito, mas também de forma natural em seres vivos. Veja alguns exemplos:
a) Distribuição de água em plantas: para manter as folhas saudáveis, as plantas devem levar a água presente no solo para grandes alturas, a fim de conduzir os nutrientes por todo o corpo da planta. Para isso, existe uma complexa rede de capilares que têm seu diâmetro na ordem dos centésimos de milímetros.
b) Sistema sanguíneo: a pressão hidrostática capilar garante que o sangue presente no sistema circulatório percorra de forma autônoma o corpo humano, trocando fluidos e substâncias em diversos setores.
c) Velas de cera: conforme a cera derrete, ficando líquida, existe uma ação capilar que a desloca lentamente até o fogo pelo comprimento do pavio. Assim, a chama se mantém acesa durante horas.
d) Infiltrações: em paredes de concreto em que não exista impermeabilização, é possível que a umidade alojada nos poros exerça uma pressão hidrostática capilar suficiente para infiltrar a água do solo pelas paredes de uma construção civil.
Relação da capilaridade e lei de Jurin
Para descrever matematicamente o fenômeno da capilaridade, é necessário compreender a lei de Jurin. Em termos práticos, a altura que uma coluna de líquido pode atingir depende em grande parte das dimensões físicas que o tubo capilar tem. Quanto menor o diâmetro do tubo, maior a altura alcançada pelo líquido até atingir seu equilíbrio. De forma simplificada, a lei de Jurin é descrita como:
\(H = \frac{\alpha}{r} \)
Em que H é a altura da coluna de líquido, r é o raio do tubo capilar e α é uma constante definida por diversos parâmetros, tais como densidade do líquido (ρ), aceleração da gravidade (g), tensão superficial (γ) e ângulo de contato (ϴe), como pode ser visto abaixo:
\(\alpha = \frac{2\gamma \cos\theta_e}{\rho g} \)
Assumindo que a maior parte dos parâmetros, no caso da água, é descrita por valores constantes, é possível assumir uma relação inversamente proporcional entre a altura da coluna de água e o raio do capilar.
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Exercícios sobre capilaridade
1. (UFMG) Os vegetais apresentam uma série de fatores combinados para transportar água e sais minerais das raízes até as partes mais altas da planta. O mecanismo de ascensão da seiva bruta pode ter como contribuição os seguintes fatores relacionados abaixo, exceto:
a) pressão de absorção de água e sais minerais pelas raízes.
b) efeito de capilaridade entre a água e as paredes dos vasos.
c) força de sucção provocada pelas folhas.
d) eliminação de água via transpiração pelos estômatos.
e) transporte ativo pelas células vivas dos vasos lenhosos.
Resposta: [E].
Para resolvermos essa questão, precisamos lembrar dos processos que ocorrem na planta e que são responsáveis pela subida da seiva bruta da raiz até as folhas. Lá na raiz ocorre primeiramente uma absorção ativa de sais. A raiz fica hipertônica e a água entra nas células por osmose (um processo passivo, sem gasto de energia). A entrada de água com os sais gera a pressão de raiz, que empurra a seiva para cima pelos vasos lenhosos. Portanto, a alternativa A é correta. Os vasos lenhosos são células mortas e ocas que se comunicam entre si, permitindo a passagem da seiva bruta. Portanto, a alternativa incorreta é a letra E. A subida da água pelo corpo da planta ocorre graças ao fenômeno da capilaridade. Assim, as moléculas polares da água aderem à superfície interna dos vasos lenhosos. Ao mesmo tempo, as moléculas de água realizam pontes de hidrogênio entre si, formando um "fio" de água coeso no interior da planta. Portanto, a alternativa B está correta. Quando os estômatos se abrem nas folhas, ocorre perda de água, fenômeno conhecido como evapotranspiração. Essa perda de água estimula que o "fio" de água suba. Neste momento, a adesão e coesão da água favorecem que mais moléculas de água sejam puxadas, umas pelas outras, para cima. Isso constitui a pressão de sucção pelas folhas e faz das alternativas C e D corretas.
2. (UFJF) Você já deve ter observado um inseto caminhando pela superfície da água de uma lagoa. A propriedade da água que permite que a pata do inseto não rompa a camada de água é:
a) adesão.
b) calor específico.
c) tensão superficial.
d) calor de vaporização.
e) capilaridade.
Resposta: [C].
As ligações do tipo pontes de hidrogênio realizadas pelas moléculas da água as mantêm unidas umas às outras, fenômeno conhecido como coesão. Graças à coesão, a superfície de uma massa de água pode formar uma película relativamente resistente, o que chamamos de tensão superficial. É graças a essa propriedade que os insetos conseguem caminhar sobre a superfície da água sem romper sua camada. Portanto, a alternativa correta é a letra C. As outras propriedades abordadas na questão não têm relação com o fenômeno observado: a adesão diz respeito à capacidade que as moléculas polares da água têm de aderirem a superfícies também polares. O calor específico diz respeito à capacidade que a água tem de absorver e perder grandes quantidades de calor sem esquentar nem esfriar muito. O calor de vaporização se refere à quantidade de calor necessária para provocar a vaporização da água, e a capilaridade, ao fenômeno que possibilita a subida de água através de tubos de pequeno diâmetro (como os vasos lenhosos das plantas).
Fontes
Paranhos, Aline; Vechia, Daniel; Beltrame, Milton. Capilaridade: um fenômeno de superfície com aplicações cotidianas. Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo, Universidade do Vale do Paraíba, São José dos Campos - SP.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl (colab.). Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica, volume 2. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos
2016.HEWITT, P. G. Física conceitual. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.
