Fisica statistica ed informatica - Fenomeni di superficie-Capillarità

Fenomeni di superficie: capillarità

La risultante delle forze di interazione molecolare su una molecola è spesso denominata forza di coesione (se si sviluppa fra molecole identiche) o forza di adesione (se si sviluppa fra molecole diverse).

• Forze di coesione tengono insieme le sostanze
• Forze di adesione fanno attrarre sostanze diverse (acqua su vetro)

La condizione di equilibrio di un fluido in presenza di più sostanze è determinata dalla reciproca intensità delle forze di adesione e coesione. Esempio: fluidi a contatto con la parete solida del contenitore (acqua in un bicchiere a contatto con l'aria).

Interazioni molecolari

Le molecole di un liquido in vicinanza della parete sentono la forza F_cr diretta verso l’interno del fluido, la forza di coesione del fluido. La forza di adesione liquido-gas F_{a, ar} è diretta verso l’interno del gas, mentre la forza di adesione liquido-solido F_{a, s} è diretta verso l’interno del solido. La forza F_{a, ar} è così debole da poter essere trascurata. Le restanti due forze, vista la loro direzione e verso, non possono avere risultante nulla all’equilibrio; la superficie libera del fluido deve essere ortogonale alla risultante delle forze agenti.

Casi possibili

• Innalzamento del liquido: il liquido bagna la parete
  φ = angolo di raccordo (angolo fra la tangente alla superficie del liquido, nel punto di contatto con la parete, e la verticale ascendente). Esso dipende dalla coppia liquido-solido.
• Allontanamento del liquido: il liquido non bagna la parete

φ π < φ < π /2 ovvero: 0 < φ < π /2

Angoli di raccordo

Acqua-vetro φ = 0°
Benzina-vetro φ = 26°
Acqua-paraffina φ = 107°
Acqua-teflon φ = 127°
Mercurio-acqua φ = 140°

Fenomeno della capillarità

L’incurvamento della superficie è osservabile solo in prossimità (≤ 2 mm) delle pareti; questo, in tubi di piccole dimensioni trasversali (cosiddetti tubi capillari), dà luogo al fenomeno della capillarità: il livello della superficie libera del fluido nel capillare è diverso da quello nel resto del recipiente (in contraddizione apparente con la legge di Stevino).

A B Capillari in A di vetro, h in B di teflon. h_acqua

Calcolo del livello

Calcoliamo h, nel caso A, per un capillare di raggio r.