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Grade 11Propriedades da matériaMecânica dos fluidos


Tensão superficial e capilaridade


Na mecânica dos fluidos, é essencial entender os conceitos de tensão superficial e capilaridade porque eles explicam muitas observações cotidianas e fenômenos naturais. Esses conceitos nos dizem não apenas como os fluidos interagem com as superfícies, mas também sobre as forças que atuam dentro do fluido. A lição a seguir explora esses dois aspectos interessantes da mecânica dos fluidos.

O que é tensão superficial?

A tensão superficial é uma propriedade das superfícies líquidas que as faz 'sentirem' como uma membrana elástica esticada. Esse fenômeno é causado por forças coesivas entre as moléculas do líquido. A tensão superficial é responsável pela forma das gotas de líquido e por insetos conseguirem andar sobre a água, entre muitos outros efeitos.

Em nível molecular, cada molécula dentro de um líquido é puxada igualmente em todas as direções pelas moléculas vizinhas, resultando em uma força líquida de zero. No entanto, uma molécula na superfície de um líquido não tem outras moléculas ao seu redor em todas as direções; ela experimenta forças significativas apenas das moléculas abaixo dela. Esse desequilíbrio encolhe a superfície e reduz a área de superfície, o que contribui para o fenômeno que observamos como tensão superficial.

A B C D F

Na ilustração acima, as linhas vermelhas indicam forças atuando na molécula de superfície que são dirigidas para dentro, causando um efeito de superfície 'esticada'.

Matemática da tensão superficial

A tensão superficial (denotada por σ ou T) é geralmente medida em newtons por metro (N/m). Ela pode ser definida como a quantidade de energia por unidade de área necessária para aumentar a área de superfície de um líquido. Uma definição alternativa é a força aplicada por unidade de comprimento ao longo de uma linha perpendicular à superfície.

Em termos matemáticos, a tensão superficial pode ser expressa pela fórmula:

σ = F/L

onde F é a força e L é o comprimento de contato.

Exemplos de tensão superficial

O exemplo mais simples de tensão superficial é as gotas de água em um carro encerado. A cera é hidrofóbica (repele água), então quando a água é colocada em sua superfície, as forças coesivas dentro do líquido fazem com que ele forme gotas, minimizando o contato com a superfície e a área de superfície do líquido.

Outro exemplo comum é a capacidade de uma pequena agulha flutuar na superfície da água, mesmo sendo mais densa que a água. A tensão superficial na água suporta eficientemente a agulha criando um efeito de "peles" na superfície.

Tensão superficial Agulha

O que é capilaridade?

Capilaridade ou ação capilar é a capacidade de um fluido fluir através de espaços estreitos sem a ajuda de forças externas, como a gravidade, ou mesmo em oposição a elas. Esse comportamento é observado quando um fluido sobe através de um tubo fino, material poroso ou qualquer outro espaço confinado.

Explicação da capilaridade

A capilaridade é causada por forças adesivas entre o fluido e as paredes do tubo ou substância porosa, bem como pela tensão superficial do fluido. Forças adesivas referem-se à atração entre moléculas de diferentes substâncias, como moléculas de água e moléculas de vidro em um tubo capilar.

Quando as forças adesivas entre o fluido e o material do tubo são mais fortes que as forças coesivas dentro do fluido, o fluido sobe no tubo. Inversamente, se as forças coesivas dominarem, o fluido cairá ou a superfície se tornará côncava.

Matemática da capilaridade

A altura a que um líquido subirá em um tubo capilar é dada pela fórmula:

h = (2σcosθ) / (ρgr)

Onde:

  • h é a altura a que o líquido sobe.
  • σ é a tensão superficial do líquido.
  • θ é o ângulo de contato entre o líquido e a superfície do tubo.
  • ρ é a densidade do fluido.
  • g é a aceleração devido à gravidade.
  • r é o raio do tubo.

Exemplos de capilaridade

Um exemplo clássico de como a capilaridade funciona é um tubo de vidro fino, como um canudo, colocado em água. O efeito capilar fará com que a água dentro do canudo suba mais alto que o nível da água fora dele.

A capilaridade também é importante na forma como as plantas movem a água de suas raízes através de poros minúsculos em suas folhas. Através de tubos minúsculos chamados xilema, a água é puxada para cima contra a gravidade, o que ajuda a fornecer umidade e nutrientes para toda a planta.

Água dentro do capilar

Comparação entre tensão superficial e capilaridade

Tensão superficial e capilaridade envolvem interações na superfície dos líquidos, mas enfocam aspectos diferentes:

  • Tensão superficial: Enfatiza as forças coesivas entre as moléculas dentro de um líquido, o que faz com que a superfície aja como uma membrana esticada.
  • Capilaridade: Isso envolve tanto as forças coesivas dentro de um fluido quanto as forças adesivas entre o fluido e uma superfície externa, que são relevantes para fenômenos que ocorrem em espaços estreitos.

Compreender esses conceitos nos ajuda a entender por que alguns objetos flutuam, por que os líquidos formam gotículas, como as plantas absorvem água e muitos outros fenômenos na natureza e na indústria.

Conclusão

Tensão superficial e capilaridade demonstram o poder das forças intermoleculares e seu impacto substancial em aplicações naturais e práticas. Em muitas situações, essas forças desafiam as forças esperadas nas interações de grande escala, demonstrando o comportamento dinâmico e complexo dos fluidos.

Ao entender os princípios da tensão superficial e da capilaridade, podemos ter uma compreensão mais profunda dos incríveis fenômenos que ocorrem ao nosso redor em nossas vidas diárias e lançar as bases para entender tópicos mais avançados em dinâmica de fluidos e engenharia.


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