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 \theta
  • O ângulo de contato \theta 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 \theta < 90^\circ, o líquido “molha” o sólido: adesão > coesão (as moléculas do líquido preferem ficar grudadas ao sólido do que apenas entre si naquela região).
    • Se \theta > 90^\circ, o líquido não molha: coesão > adesão (as moléculas do líquido preferem ficar entre si, formando um menisco convexo).
  • O valor de \theta sintetiza, numa medida geométrica, o resultado da competição entre adesão e coesão.

Passo 5

Relação entre coesão, adesão e tensão superficial \gamma
  • A tensão superficial \gamma 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: \text{N}\,/\text{m}.
  • Mesmo quando o líquido adere ao sólido, a superfície livre do líquido apresenta tensão \gamma; 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, \theta < 90^\circ), 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, \theta > 90^\circ), 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).
  • Exemplos clássicos:
    • Água em tubo de vidro: sobe (ascendente) porque água adere bem ao vidro ( \theta pequeno).
    • Mercúrio em vidro: afunda/forma menisco convexo (descendente) porque mercury adere mal ao vidro ( \theta grande).

Passo 7

Derivação passo a passo da fórmula de equilíbrio (Lei de Jurin) — aqui se aprende a aplicar na prova
  1. Situação física: coluna de líquido de altura \,h dentro de um tubo capilar de raio r está em equilíbrio: a força vertical resultante da tensão superficial ao longo do perímetro sustenta o peso da coluna de líquido.
  2. Força vertical fornecida pela tensão superficial: a força total ao longo do perímetro é 2\pi r\,\gamma. A componente vertical dessa força é obtida multiplicando por \cos\theta (o ângulo \theta é medido dentro do líquido). Logo a componente vertical é
\text{Força}_{\text{tensão, vertical}} = 2\pi r\,\gamma\cos\theta.çã
Explicação: \gamma é força por comprimento; 2\pi r é o comprimento do perímetro; \cos\theta coloca a componente vertical da força que age tangencialmente ao menisco.
  1. Peso da coluna de líquido: massa \times gravidade. O volume da coluna é \pi r^2 h; multiplicando por densidade \rho e por g:
\text{Peso} = \rho g \pi r^2 h.
  1. Equilíbrio (força para cima = peso):
2\pi r\,\gamma\cos\theta = \rho g \pi r^2 h.
  1. Simplificando e isolando h:
h = \frac{2\gamma\cos\theta}{\rho g r}.
  1. Interpretação do sinal e das variáveis:
  • \gamma = tensão superficial do líquido ( \text{N}\,\text{m}^{-1}).
  • \theta = ângulo de contato (medido dentro do líquido); \cos\theta indica direção:
    • se \cos\theta>0 ( \theta<90^\circ) então h>0 → subida (capilaridade ascendente).
    • se \cos\theta<0 ( \theta>90^\circ) então h<0 → depressão (capilaridade descendente).
  • \rho = densidade do líquido.
  • g = aceleração da gravidade.
  • r = raio interno do tubo (menor r → maior h).

Passo 8

Intuições úteis para a prova (como aplicar e lembrar)
  • Efeito do raio r: tubos mais finos (menor r) resultam em maior altura h (por isso chama-se capilaridade — em capilares finos o efeito é forte).
  • Efeito da tensão superficial \gamma: quanto maior \gamma (maior coesão), maior a força disponível; mas o sinal do \cos\theta decide a direção.
  • Efeito da densidade \rho: líquidos mais leves sobem mais (mesma \gamma, \theta).
  • Mudanças práticas: temperatura reduz \gamma → menor h. Adicionar surfactante pode reduzir \gamma e/ou alterar \theta, 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: \theta pequeno, \cos\theta>0 \;h>0 → sobe (capilaridade ascendente).
  • Mercúrio em vidro: \theta grande (tipicamente \theta\approx140^\circ), \cos\theta<0 \;h<0 → 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 \theta. Se adesão > coesão ( \theta<90^\circ, \cos\theta>0) o líquido sobe no capilar (capilaridade ascendente). Se coesão > adesão ( \theta>90^\circ, \cos\theta<0) o líquido é deprimido no capilar (capilaridade descendente). A altura de equilíbrio é dada por
h=\frac{2\gamma\cos\theta}{\rho g r},
onde \gamma é a tensão superficial, \rho a densidade do líquido, g a gravidade e r o raio do tubo.

Exercícios relacionados