Cuando el agua sube por un papel, ¿de dónde viene la energía?

Question

Coge un vaso de agua y un trozo de papel higiénico. Si mantienes el papel en posición vertical y tocas la superficie del agua con la punta del papel, puedes ver cómo el agua es absorbida y sube por el papel. Este subiendo me intriga. ¿De dónde viene la energía?

Supuestamente, muchas moléculas de agua se mueven hacia arriba y ganan energía potencial. Esto tiene que ser equilibrado por algo. Se me ocurren algunas posibilidades, pero no puedo decir cuál es.

• Cuando las moléculas de agua se diluyen en el papel, se encuentran en un estado de menor energía potencial de enlace. Alguna interacción molecular (¿Van der Waals?) tiene una energía menor cuando se tiene una solución de agua+papel, en comparación con una solución de sólo agua. Esto compensa la ganancia de energía gravitacional.
• La superficie entre el papel y el agua está a menor presión que la atmósfera. Esto hace que el agua sea empujada hacia el papel por la presión atmosférica, hasta el punto en que la columna de agua sobre la superficie es lo suficientemente pesada como para contrarrestarla. La energía potencial sería el resultado del trabajo realizado por la atmósfera.
• Algunas moléculas de agua suben al azar y pierden energía cinética al subir, y de alguna manera se quedan "atascadas" allí arriba.
• ¿Algo más?

Answer 1

La superficie de cualquier fluido tiene asociada una energía por unidad de superficie, conocida como energía superficial, también conocida como tensión superficial. Esta energía no es una propiedad exclusiva del fluido, sino del fluido y del medio con el que está en contacto.

En tu caso tendrías energías superficiales asociadas para la interfaz agua-aire, $e_{wa}$ así como para la interfaz agua-papel, $e_{wp}$ . La energía total del fluido en una configuración es la suma de la energía potencial, más el producto de las energías superficiales correspondientes por sus respectivas áreas superficiales, $S_{wa}e_{wa} +S_{wp}e_{wp}$ .

Así que, si se quiere ver desde un punto de vista puramente de equilibrio energético, el aumento de la energía potencial del agua que sube por el papel se compensa con una reducción de la energía superficial total. Cuando la acción capilar hace que las cosas suban, es porque la energía líquido-sólido es menor que la energía líquido-aire. Al absorber el material poroso, el área de contacto sólido-líquido aumenta a expensas de la de líquido-aire, lo que da lugar a una reducción global de la energía de contacto, que es lo que impulsa el aumento de la energía potencial.

Answer 2

La física detrás de esto es la misma acción capilar que hace que el agua suba por estrechos canales cilíndricos.

El papel tisú es extremadamente poroso, pero los poros son lo suficientemente estrechos como para que la cohesión entre las moléculas de agua (en realidad impulsada por la interacción de Coulomb, ya que las moléculas de agua son polares) y la adhesión entre el agua y las superficies de los poros se combinen para "levantar" el agua hacia los poros. Creo que la adhesión está impulsada por los enlaces de hidrógeno. En el caso de un tubo de vidrio de SiO2, habrá átomos de oxígeno superficiales a los que unirse, y aunque no sé nada de la química del papel, es orgánico, así que estoy seguro de que hay cadenas O-H colgantes a las que unirse.

La masa de agua que se mueve a través de cada poro es en realidad bastante pequeña, por lo que si se imagina el papel en su lugar como un conjunto de capilares cilíndricos "ideales", el potencial gravitatorio de cada columna individual es muy débil, por lo que el agua puede subir bastante antes de que el potencial gravitatorio supere la combinación de cohesión y adhesión.

(En aras de dar una respuesta amplia, recuerdo que en el instituto hice un bonito experimento de química con una técnica basada en este efecto, llamada cromatografía en papel )

Editar: He añadido un poco sobre el posible origen microscópico de la adhesión.

Answer 3

La respuesta anterior te dice por qué el agua se mueve hacia arriba pero no explica de dónde viene la energía. Para que el agua se mueva hacia arriba y, por tanto, gane energía potencial gravitatoria, es necesario que haya alguna pérdida de energía en otro lugar para compensar.

Una parte de la energía proviene del movimiento molecular aleatorio del calor que extiende el borde del agua misma hacia arriba de los tubos/superficies capilares. Así, el agua se enfría a medida que asciende debido a la reducción de la energía necesaria para compensar la reducción de la energía gravitacional.

Una parte proviene de la pérdida de energía gravitacional en el vaso.

Esta parte del problema puede considerarse como lo que ocurre cuando se toma un tubo de ensayo y se coloca en una bañera llena de agua, se llena el tubo de agua y luego se invierte y se saca el extremo cerrado del agua, de modo que parte del agua del extremo cerrado del tubo se eleva por encima del agua del resto de la bañera. ¿De dónde viene la energía para esto?

Dos fuentes, no una:

1) Desde el brazo moviendo el tubo hacia arriba y tirando del extremo del tubo.

2) Por el hecho de que el agua de la bañera baja de nivel y, por tanto, deja menos energía potencial gravitatoria para el agua restante en la bañera.

Si considera un tubo largo colocado en la bañera. El agua en el tubo subirá hasta el nivel del agua fuera del tubo. Si conectas el extremo del tubo que está por encima del agua a una válvula cerrada que conduce a una cámara de vacío, el nivel del agua se mantendrá igual. Si abre la válvula, el nivel del agua subirá. El vacío en sí mismo no suministra energía y no puede realizar ningún trabajo, ya que no hay moléculas ni fuerzas implicadas. Lo que hace el trabajo es el intercambio de energía potencial de la gravedad del agua en la bañera. Ésta empuja el agua en el tubo haciendo que suba.

Así que para la acción capilar que describes, parte de la energía proviene de la pérdida de la energía potencial del agua o del fluido fuera del tubo capilar, y otra parte proviene de la pérdida de calor en el agua y el papel higiénico.