Diferencie forças de coesão e forças de adesão. Relacione essas duas forças com a ocorrência da capilaridade ascendente (de baixo para cima) em alguns liquidos e a capliridade descendente (de cima para baixo).
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Diferenciar as forças de coesão e as forças de adesão.
- Relacionar essas duas forças com a ocorrência de capilaridade ascendente (líquido sobe no tubo) e capilaridade descendente (líquido desce/é empurrado para baixo).
Informações relevantes dadas (implícitas no problema):
- Não há dados numéricos: a pergunta é conceitual e pede explicação física.
- É preciso explicar por que, em alguns líquidos, o líquido sobe em capilares e em outros ele desce, usando as noções de coesão e adesão.
Passo 2
O que é força de coesão — definição e origem molecular (explicação didática)
- Força de coesão é a atração entre moléculas do mesmo líquido.
- Origem: interações intermoleculares (por exemplo, forças de dispersão de London, dipolo-dipolo, e ligação de hidrogênio quando presente). Essas forças fazem as moléculas daquele líquido “preferirem” ficar juntas.
- Consequência macroscópica: a coesão é a responsável pela tendência do líquido a manter-se unido e pela formação de uma superfície com tensão superficial. Em linguagem simples: coesão = “as moléculas do líquido se abraçam entre si”.
Exemplo concreto:
- Em água, há forte coesão por ligação de hidrogênio entre moléculas H2O — isso produz alta tensão superficial.
- Em mercúrio, há forte atração entre átomos de mercúrio (característica metálica/forças intermoleculares fortes), também resultando em alta coesão e superfície “férrea”.
Passo 3
O que é força de adesão — definição e origem (explicação didática)
- Força de adesão é a atração entre as moléculas do líquido e as moléculas da superfície sólida com a qual ele entra em contato (por exemplo, vidro, plástico, metal).
- Origem: podem ser forças de natureza elétrica, dipolo, ligação de hidrogênio entre as moléculas do líquido e grupos químicos do sólido, ou simplesmente afinidade química/física. Em linguagem simples: adesão = “o líquido gosta de grudar na parede”.
Exemplo concreto:
- Água sobre vidro: há boa adesão (hidroxilas do vidro fazem pontes de hidrogênio com água) → água “molha” o vidro.
- Mercúrio sobre vidro: adesão fraca → mercúrio não molha o vidro, forma gotas esféricas.
Passo 4
Como distinguir coesão e adesão na prática: o ângulo de contato
- O ângulo de contato
é o ângulo que o menisco (a superfície do líquido junto ao sólido) forma com a superfície sólida medida dentro do líquido. - Interpretação fácil:
- Se
, o líquido “molha” o sólido: adesão > coesão (as moléculas do líquido preferem ficar grudadas ao sólido do que apenas entre si naquela região). - Se
, o líquido não molha: coesão > adesão (as moléculas do líquido preferem ficar entre si, formando um menisco convexo).
- Se
- O valor de
sintetiza, numa medida geométrica, o resultado da competição entre adesão e coesão.
Passo 5
Relação entre coesão, adesão e tensão superficial
- A tensão superficial
é uma manifestação macroscópica da coesão: representa a energia por unidade de área da superfície do líquido, ou a força por unidade de comprimento que age ao longo de uma linha na superfície. Unidade: . - Mesmo quando o líquido adere ao sólido, a superfície livre do líquido apresenta tensão
; a componente vertical dessa força ao longo do perímetro do tubo é que pode sustentar a coluna de líquido em equilibrio com seu peso.
Passo 6
Explicação qualitativa da capilaridade (subida ou descida)
- Em um tubo capilar fino mergulhado no líquido:
- Se a adesão ao sólido for forte (adesão > coesão,
), o líquido sobe nas paredes e o menisco é côncavo. A componente vertical da tensão superficial puxa o líquido para cima — capilaridade ascendente. - Se a adesão for fraca (coesão > adesão,
), o líquido forma um menisco convexo e a componente vertical da tensão superficial aponta para baixo, produzindo capilaridade descendente (o nível no tubo fica abaixo do nível livre externo).
- Se a adesão ao sólido for forte (adesão > coesão,
- Exemplos clássicos:
- Água em tubo de vidro: sobe (ascendente) porque água adere bem ao vidro (
pequeno). - Mercúrio em vidro: afunda/forma menisco convexo (descendente) porque mercury adere mal ao vidro (
grande).
- Água em tubo de vidro: sobe (ascendente) porque água adere bem ao vidro (
Passo 7
Derivação passo a passo da fórmula de equilíbrio (Lei de Jurin) — aqui se aprende a aplicar na prova
- Situação física: coluna de líquido de altura
dentro de um tubo capilar de raio está em equilíbrio: a força vertical resultante da tensão superficial ao longo do perímetro sustenta o peso da coluna de líquido. - Força vertical fornecida pela tensão superficial: a força total ao longo do perímetro é
. A componente vertical dessa força é obtida multiplicando por (o ângulo é medido dentro do líquido). Logo a componente vertical é
Explicação:
é força por comprimento;
é o comprimento do perímetro;
coloca a componente vertical da força que age tangencialmente ao menisco.
- Peso da coluna de líquido: massa
gravidade. O volume da coluna é ; multiplicando por densidade e por :
- Equilíbrio (força para cima = peso):
- Simplificando e isolando
:
- Interpretação do sinal e das variáveis:
-
= tensão superficial do líquido ( ). -
= ângulo de contato (medido dentro do líquido); indica direção: - se
( ) então → subida (capilaridade ascendente). - se
( ) então → depressão (capilaridade descendente).
- se
-
= densidade do líquido. -
= aceleração da gravidade. -
= raio interno do tubo (menor → maior ).
Passo 8
Intuições úteis para a prova (como aplicar e lembrar)
- Efeito do raio
: tubos mais finos (menor ) resultam em maior altura (por isso chama-se capilaridade — em capilares finos o efeito é forte). - Efeito da tensão superficial
: quanto maior (maior coesão), maior a força disponível; mas o sinal do decide a direção. - Efeito da densidade
: líquidos mais leves sobem mais (mesma , ). - Mudanças práticas: temperatura reduz
→ menor . Adicionar surfactante pode reduzir e/ou alterar , mudando completamente o comportamento capilar. - Lembre-se mental fácil: “adesão ganha → sobe; coesão ganha → não sobe (ou desce)”.
Passo 9
Exemplos práticos rápidos para fixar (sem cálculo pesado)
- Água em vidro:
pequeno, → → sobe (capilaridade ascendente). - Mercúrio em vidro:
grande (tipicamente ), → → desce (capilaridade descendente).
Resposta
Força de coesão: atração entre moléculas do próprio líquido; é a origem da tensão superficial e faz as moléculas “ficarem juntas”.
Força de adesão: atração entre moléculas do líquido e as do sólido; faz o líquido “grudar” na parede.
Relação com capilaridade: a direção do efeito capilar depende da competição entre adesão e coesão, medida pelo ângulo de contato . Se adesão > coesão (
,
) o líquido sobe no capilar (capilaridade ascendente). Se coesão > adesão (
,
) o líquido é deprimido no capilar (capilaridade descendente). A altura de equilíbrio é dada por
Força de adesão: atração entre moléculas do líquido e as do sólido; faz o líquido “grudar” na parede.
Relação com capilaridade: a direção do efeito capilar depende da competição entre adesão e coesão, medida pelo ângulo de contato
onde
é a tensão superficial,
a densidade do líquido,
a gravidade e
o raio do tubo.