¿De dónde procede la energía potencial de la acción capilar?

Question

La capilaridad se produce cuando el agua sube por sí misma por una toalla de papel, un tubo de vidrio o un árbol. Está subiendo, lo que se traduce en un aumento de la energía potencial. Según la ley de la conversación de la energía, ésta no puede crearse ni destruirse. ¿De dónde procede esta energía potencial de la acción capilar, o se trata de una excepción o algo así? Mi pregunta es diferente de ¿Cómo desafía el agua a la gravedad en las toallas de papel? porque la otra pregunta es por qué se mueve hacia arriba, pero la mía es de dónde viene la energía.

Answer 1

¿De dónde procede esta energía potencial de la acción capilar, o se trata de una excepción o algo así?

En primer lugar, se siguen aplicando las leyes de la termodinámica. En segundo lugar, hay que tener en cuenta el balance energético cuando se pasa de seco a húmedo, por un lado, y de flujo continuo, por otro.

1. Humectación inicial de la toalla de papel o del tubo de vidrio: Citando uno de los comentarios, "el aumento de la energía potencial gravitatoria se ve contrarrestado por una reducción del potencial químico de las sustancias debido a un cambio en las zonas de contacto mutuo". Eso explica por qué el capilar se llena en primer lugar, y en este caso está bien decir "el agua se tira a sí misma hacia arriba".

2. Flujo continuo. Si te refieres a un árbol, donde hay un flujo continuo, ya no aumentas la superficie de contacto agua-capilar, permanece constante. La energía tiene que venir de otra parte. Se necesita un poco de energía para eliminar una molécula de agua de la parte superior de la capilar porque, al hacerlo, estás tirando de todas las moléculas de agua un poco hacia arriba. Como se explica en el excelente vídeo por Veritasium, el agua puede tener presión negativa en el capilar, por lo que los árboles pueden crecer a mayor altura de lo que la presión atmosférica podría sugerir (gracias, A.K., por el apunte al vídeo). Esto no es un problema para el árbol porque la parte superior de del árbol es el lugar de la fotosíntesis, por lo que hay energía libre disponible para hacer el "tirón". Así que puedes pensar que el capilar lleno de agua llena de agua hace las veces de cuerda y de cubo. si lo comparamos con sacar agua de un pozo profundo. En los casos en los que el agua simplemente se evapora, la energía procede del enfriamiento del entorno, ya que la molécula de agua arrastra a otra molécula de agua y se evapora. En el caso del flujo continuo, el agua no "sube sola", sino que algo en la parte superior (o inferior) tiene que proporcionar la energía. Por ejemplo, si pones una toalla en un cubo de agua y la toalla sobresale un poco del borde, la toalla se mojará. Sin embargo, si el extremo de la toalla que está fuera del cubo está por debajo del nivel del agua, la toalla desviará continuamente el agua del cubo y el agua goteará de la toalla.

Por otra parte, no se necesita mucho trabajo para subir una molécula de agua a un árbol (1,8 J/mol para un árbol de 10 m). La hidrólisis de un solo ATP proporciona unos 50 kJ/mol en condiciones fisiológicas, por lo que es suficiente para subir 25.000 moléculas de agua al árbol.La gravedad es débil en comparación con las interacciones electromagnéticas, que dominan en química.

Answer 2

Ninguna de las respuestas responde a tu pregunta, sólo presentan ecuaciones de cómo calcular la fuerza/energía. Para entender de dónde procede la fuerza, hay que entender conceptualmente una superficie. Piensa en la energía necesaria para crear una superficie (romper algo). Se necesita energía para romper los enlaces entre los átomos y crear una superficie, por lo que una superficie tiene una energía inherente. De hecho, imagine que rompe el objeto en pedazos hasta que sólo tiene átomos. Piensa: ¿cuánta energía se necesitaría para eso? Si reconocemos que un montón de átomos sin enlaces están en estado gaseoso, entonces podemos saber que esta energía es la misma que el calor de sublimación. A menos que el material sea un gas en condiciones de equilibrio, querrá reducir el área de superficie para liberar la energía introducida para romper el material. Esta es la razón por la que el agua en el espacio forma una esfera, está tratando de minimizar la energía lo que significa minimizar la cantidad de superficie.

Consideremos ahora una interfaz sólido-líquido. Si la energía superficial (entalpía de sublimación) es mayor para el sólido que para el líquido, cuando el líquido cubre el sólido se libera energía por la destrucción de la interfase sólido-gas (o sólido-vacío), pero parte de esa energía debe ir a crear más superficie de la interfase líquido-gas. Esto hará que el líquido se extienda y se denomina humectación. Si la energía superficial del sólido es menor que la del líquido, la energía se liberará rompiendo la interfaz sólido-líquido, lo que hará que el líquido se contraiga formando un cordón, que es un comportamiento no humectante (un término muy creativo).

Answer 3

Creo que el Young-Dupre ecuación describe esto. Se podría pensar que la subida del líquido se debe a la liberación de energía asociada a un fenómeno conocido como humectación (véase la imagen).

Se puede relacionar el ángulo de humectación de una gota sobre un material sólido con las energías superficiales de las distintas interfases (gas-líquido, líquido-sólido y sólido-gas). Estas energías (denominadas sigmas ) se indican como energías por unidad de superficie. Esto significa que por cada unidad de superficie que aumente la gotita, tengo que disminuir las demás superficies en una cantidad similar.

Esto a menudo libera algo de energía (del área sólido-líquido recién humedecida y del aumento del área líquido-gas), pero también cuesta cierta cantidad de energía interrumpir la interacción sólido-gas. Equilibramos estos factores energéticos con términos de sigma × la zona correspondiente.

Ahora bien, si queremos hacernos una idea de si una gotita ascenderá, podemos fijarnos en el comportamiento de humectación de la gotita. Si la gota moja el sólido (digamos agua y papel) con un ángulo inferior a 90 grados, podemos concluir que la humectación es favorable.

En consecuencia, la humectación favorable libera una cantidad de energía (normalmente en forma de calor, generalmente pequeña). Sin embargo, si el líquido debe subir por las paredes de un tubo para seguir mojándose, puede hacerlo espontáneamente, hasta cierto punto. Personalmente no estoy seguro de cuál es ese punto, pero seguramente implica equilibrar las energías superficiales y sus respectivas áreas, dado algún conocimiento sobre la geometría de las superficies.

Sin embargo, para responder explícitamente a tu pregunta, la fuente de ese aumento de energía potencial procede de la energía liberada al mojarse.

Answer 4

La fuerza motriz es la diferencia de aguas potencial químico en el capilar y fuera de él. En equilibrio, deben ser iguales, por lo que el agua ascenderá por el capilar. hasta que los potenciales químicos sean iguales . Lo mismo ocurre en la ósmosis. No hacen falta ecuaciones, es termodinámica. Si se desean ecuaciones

$$\mu_{\rm water, capillary} = \mu_{\rm water, bulk}$$

Para más información sobre el potencial químico: wiki/potencial químico

El potencial químico es una forma de trabajo. En mi opinión, la forma de trabajo más importante en química e ingeniería química.