Se nota la Tensión… Superficial y la capilaridad

Buenas de nuevo queridos lectores. Hoy me gustaría hablaros acerca de la capilaridad. Muchos de vosotros conoceréis su efecto, otros quizás no. La capilaridad es una propiedad de los líquidos por la cual estos pueden subir o bajar por un tubo capilar. Es un efecto muy común en nuestro día a día y que podemos observar en acciones tan cotidianas como secar con un trapo una superficie mojada.

Para poder comprender cómo funciona la capilaridad tenemos que hablar primero acerca de la tensión superficial y las fuerzas de cohesión intermolecular. Las moléculas que forman un mismo cuerpo están unidas por fuerzas de atracción que lo intentan mantener unido. Esta fuerza depende mucho del material del que esté formado el cuerpo y de las condiciones ambientales (temperatura, presión…). Así las fuerzas que mantienen unido un material sólido son mucho más potentes que aquellas que lo mantienen en estado líquido o gaseoso. Estas fuerzas también son distintas entre elementos líquidos (a temperatura ambiente) como pueden serlo el agua y el mercurio, y veremos cómo su efecto es bien distinto entre ellos.

Como decimos, las moléculas de agua se mantienen unidas unas a otras por su fuerza de cohesión intermolecular. Todas las moléculas del interior del líquido atraen y se ven atraídas por aquellas moléculas situadas alrededor de ellas, manteniéndose equilibradas (las fuerzas en promedio se anulan) y dándole un aspecto homogéneo al líquido. Sin embargo, dado que el volumen de materia en nuestro universo no puede ser infinito, en algún punto debemos encontrar un borde. ¿Qué ocurre en ese borde? Pues ocurre que en esos puntos las moléculas no pueden atraer y verse atraídas por moléculas situadas en todo su alrededor, pues no se encuentran completamente rodeadas por moléculas de ese mismo material. La zona interna de las moléculas del borde será atraída igualmente por las moléculas cercanas, pero al no haber ninguna molécula en el lado externo del borde las fuerzas no se anulan, resultando en una fuerza neta hacia el interior del líquido, que da lugar a la denominada Tensión superficial.

Fuerza de cohesión

Esta fuerza hacia el interior del líquido tiende a “moldear” el líquido, adquiriendo el menor volumen posible (cuando se equilibra con su presión interior, que tiende a expandir el líquido). Cuando el entorno exterior del líquido está vacío o su densidad es mucho menor a la del líquido, la forma de menor volumen posible es una esfera, y por ello las gotas en suspensión son redondas (La típica imagen de una gota estirada se produce por efecto de la gravedad, en el espacio las gotas son esféricas). Bueno, por ello y porque se ha alcanzado el equilibrio hidrostático, que es aquel en el que el gradiente vertical de presión interna y la gravedad se equilibran, impidiendo que el objeto se expanda o se colapse sobre sí mismo, que es la causa de que los planetas sean esféricos.

En realidad, la tensión superficial no se define como esa fuerza neta hacia el interior del líquido, sino como dicha fuerza entre la longitud de su borde (por ello se mide en Newtons / metro). Visto así, esa película de moléculas en la superficie se comporta en cierta manera como una membrana elástica.

La tensión superficial es la causante de que algunos insectos puedan caminar sobre el agua sin hundirse, como el que se muestra en la foto.

Al igual que la cohesión, como hemos visto, es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, existe otra propiedad de los materiales llamada adhesión, que es la fuerza de interacción entre superficies de distintos cuerpos.

Con esto ya podemos hablar de la capilaridad. Cuando ponemos un líquido en un recipiente (por ejemplo agua en un vaso de vidrio) tenemos presentes tanto cohesión (entre las partículas del líquido) como adhesión (entre el líquido y su recipiente). Si la fuerza de adhesión es superior a la de cohesión las moléculas del líquido se verán atraídas con más fuerza por los bordes del recipiente (hacia arriba, pues hacia abajo ya hay moléculas de líquido), tirando, a su vez, de las moléculas del líquido. El líquido seguirá “escalando” hasta que la tensión superficial sea equilibrada por el peso del líquido en el recipiente. Debido a que la masa líquida es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo, al reducir la anchura de nuestro recipiente se aumentará la altura alcanzada por el líquido. De esta forma, si introducimos un tubo más estrecho dentro de nuestro vaso de agua podremos comprobar cómo dentro del tubo el nivel del agua aumenta en comparación con el del resto del recipiente (esta altura se puede determinar a partir de la Ley de Jurin). Esta es, además, la razón de que el agua moje, ya que se adhiere o “empapa” la superficie que se pone en contacto con ella.

Capilaridad en tubos de distinto diámetro

También puede suceder lo contrario, que la fuerza de cohesión sea mayor que la fuerza de adhesión (por ejemplo en el caso de mercurio en un vaso de vidrio), en cuyo caso las moléculas del borde se verán atraídas con más fuerza por las propias moléculas del líquido que por las del recipiente. O lo que es lo mismo, parecerá que el líquido se “agarra” más fuerte a sí mismo que al recipiente. Al contrario de lo que pasaba con el agua en el caso anterior, si introducimos un tubo más estrecho dentro del recipiente podremos comprobar cómo dentro del tubo el nivel de mercurio disminuye en comparación con el del resto del recipiente, pues en este caso, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior.

En estos casos el líquido no “moja” al recipiente, pues las moléculas de líquido se encuentran débilmente adheridas a él y se separan fácilmente, atraídas por otras moléculas del mismo líquido, por ejemplo al verter el contenido del vaso.

Gotas de Mercurio

Debido a la capilaridad se forman los denominados meniscos, que son esas pequeñas curvas que se pueden observar en los bordes del líquido y su recipiente. Estos pueden ser cóncavos o convexos, dependiendo de si la fuerza de adhesión es superior a la de cohesión y viceversa.

Capilaridad en agua y mercurio

Menisco de agua coloreada

Menisco de Mercurio

Como decíamos al principio podemos observar la capilaridad en muchos aspectos de nuestra vida y la naturaleza. Al limpiar con un paño una mesa mojada, por ejemplo, estamos empleando la capilaridad para que el paño absorba el agua, cuyas partículas se adhieren entre los huecos de las fibras de la tela.

Un ejemplo que no observamos a simple vista, pero que es de sobra conocido, es el de la alimentación de las plantas, que recogen el agua por las raíces y la transportan hasta las hojas por capilaridad.

En algunos casos también se utiliza en soldaduras, introduciendo el material fundido entre las grietas a soldar de manera que se extienda por capilaridad. Cuando la temperatura del material baja se solidifica, soldando los materiales.

A continuación os dejo un video de la ESA, en el que un astronauta nos habla de la capilaridad y realiza un experimento para observarla. Al final del vídeo nos comenta cómo la capilaridad es utilizada en el espacio como parte del proceso de filtrado de la orina y su depuración en agua potable. También cuenta que se utiliza para la extracción de sangre de los astronautas para su posterior análisis, ya que la manipulación de líquidos en el espacio puede resultar peligrosa.

Por último, os dejo otro vídeo en el que se realiza un experimento de capilaridad. Mediante un papel, utilizado como tubo capilar, se realiza una transferencia de agua desde un vaso a otro.

 Hasta pronto!