Acción capilar

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

Este efecto puede observarse en la absorción de líquidos entre las cerdas 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 células biológicas .

Esto ocurre debido a 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 (causada por la cohesión dentro del líquido) y las fuerzas adhesivas entre el líquido y la pared del recipiente impulsan el líquido.

La palabra "capilar" proviene del latín capillaris , que significa "relativo o semejante al cabello". Este significado se debe al diminuto diámetro, 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 antiguo alumno de Galileo , Niccolò Aggiunti , investigó la acción capilar. ^{[ 3 ]} En 1660, la acción capilar aún era una novedad para el químico irlandés Robert Boyle , cuando informó que "unos 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 lo sometió a un vacío parcial. Descubrió que el vacío no tenía ninguna 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 al que regía los barómetros de mercurio. ^{[ 4 ]}

Otros pronto siguieron el ejemplo de Boyle. ^{[ 5 ]} Algunos (por ejemplo, Honoré Fabri , ^{[ 6 ]} Jacob Bernoulli ^{[ 7 ]} ) pensaron que los líquidos ascendían 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 ]} ) pensaron 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 ]} Ellos derivaron la ecuación de Young-Laplace de la acción capilar. Hacia 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 sobre 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 contrarrestados 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, arrastrando la columna de líquido hasta que hay una masa suficiente de líquido para que las fuerzas gravitatorias 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 está aprovechando cada vez más en el campo de la microfluídica basada en papel . ^{[ 22 ]}

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

Las toallas de papel absorben líquidos por capilaridad, lo que permite que el fluido se transfiera de una superficie a la toalla. Los pequeños poros de una esponja actúan como capilares, lo que provoca que absorba una gran cantidad de líquido. Se dice que algunos tejidos textiles utilizan la capilaridad para absorber el sudor de la piel. A estos se les suele llamar tejidos absorbentes , en referencia a las propiedades capilares de las mechas de velas y lámparas .

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

La acción capilar hace que la tinta llegue a las puntas de los plumines de la pluma estilográfica desde un depósito o cartucho situado en el interior de la pluma.

En algunas parejas de materiales, como el mercurio y el vidrio, las fuerzas intermoleculares dentro del líquido superan 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 del movimiento del agua subterránea desde las zonas húmedas del suelo hacia las zonas secas. Diferencias en el potencial del suelo (${\displaystyle \Psi _{m}}$) impulsan la acción capilar en el suelo.

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 (la cuerda de algodón o el hilo funcionan bien). Después de saturar la cuerda con agua, un extremo (con peso) se coloca en un depósito lleno de agua y el otro extremo en un recipiente receptor. El depósito debe ser más alto que el recipiente receptor. ^{[ 23 ]} Un sifón capilar similar pero simplificado consiste únicamente en dos varillas de acero inoxidable en forma de gancho, cuya superficie es hidrófila, lo que permite que el agua humedezca las estrechas ranuras entre ellas. ^{[ 24 ]} Debido a la acción capilar y la gravedad, el agua se transferirá lentamente del depósito al recipiente receptor. Este sencillo dispositivo puede utilizarse para regar 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 el aceite de los depósitos hacia las tuberías de suministro que conducen a los cojinetes . ^{[ 25 ]}

Cuando un medio poroso seco entra en contacto con un líquido, lo absorbe a una velocidad que disminuye con el tiempo. Al considerar la evaporación, la penetración del líquido alcanza un límite que depende de parámetros como la temperatura, la humedad y la permeabilidad. Este proceso se conoce como penetración capilar limitada por evaporación ^{[ 22 ]} y se observa ampliamente en situaciones comunes, como la absorción de fluidos en papel y la humedad ascendente en muros de hormigón o mampostería. Para una sección de material en forma de barra con un área de sección transversal A humedecida 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 capilar en capilares y medios porosos. ^{[ 33 ]} La cantidad

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

Se denomina captación acumulada de líquido, con dimensión de longitud. La longitud mojada de la barra, es decir, la distancia entre el extremo mojado de la barra y el llamado frente mojado , depende de la fracción f del volumen ocupado por los 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 sorptividad. ^{[ 34 ]}

La descripción anterior se refiere al caso en el que la gravedad y la evaporación no influyen.

La sorptividad es una propiedad relevante de los materiales de construcción, ya que afecta la cantidad de humedad ascendente . Algunos valores de sorptividad de los materiales de construcción se muestran en la tabla a continuación.

• Número de Bond : número adimensional en dinámica de fluidos. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redireccionamiento. 
• Agua ligada : fina capa de agua que rodea las superficies minerales. 
• Acción capilar a través de malla sintética
• Franja capilar : capa subsuperficial en la que el agua subterránea se filtra desde un nivel freático por acción capilar. 
• Presión capilar : presión entre dos fluidos debida a las fuerzas ejercidas 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 de líquido minimizada que conecta dos objetos humedecidos. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección. 
• Impermeabilización – Tipo de control de la 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 : fina capa de hielo extruida de una planta. 
• Elevación por heladas : Hinchamiento ascendente del suelo durante la congelación. 
• Milagro hindú de la leche : supuestos incidentes milagrosos de 1995. Páginas que muestran descripciones breves de los destinos de redireccionamiento. 
• Modelo 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 asciende hacia el aire helado. 
• Tensión superficial : tendencia de la superficie de un líquido a contraerse para reducir su área superficial. 
• Ecuación de Washburn : ecuación que describe la longitud de penetración de un líquido en un tubo capilar en función del tiempo. 
• Ecuación de Young-Laplace : descripción de la diferencia de presión sobre una interfaz en mecánica de fluidos. 

• 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.