Cuando el agua sube por una hoja de papel, ¿de dónde viene la energía?

La superficie de cualquier fluido tiene una energía por unidad de área asociada, conocida como energía superficial, también conocida como tensión superficial. Esta energía no es una propiedad del fluido solamente, sino del fluido y del medio con el que está en contacto.

En su caso, tendría energías superficiales asociadas para la interfaz agua-aire,$e_{wa}$, así como para la interfaz agua-papel,$e_{wp}$. La energía total del fluido en una configuración es la suma de la energía potencial, más el producto de las correspondientes energías superficiales por sus respectivas áreas superficiales,$S_{wa}e_{wa} +S_{wp}e_{wp}$.

Entonces, si desea verlo desde un punto de vista puramente de balance de energía, el aumento en la energía potencial del agua que sube por el papel se compensa con una reducción de la energía superficial total. Cuando la capilaridad hace que las cosas se eleven, es porque la energía líquido-sólido es menor que la energía líquido-aire. Al penetrar en el material poroso, el área de contacto sólido-líquido aumenta a expensas del líquido-aire, lo que da como resultado una reducción general de la energía de contacto, que es lo que impulsa el aumento de la energía potencial.

La física detrás de esto es la misma acción capilar que hace que el agua suba por estrechos canales cilíndricos.

El papel tisú es extremadamente poroso, pero los poros son lo suficientemente estrechos como para que la cohesión entre las moléculas de agua (realmente impulsada por la interacción de Coulomb, ya que las moléculas de agua son polares) y la adhesión entre el agua y las superficies de los poros se combinen para "levantar" el agua. en los poros. La adhesión es, creo, muy probablemente impulsada por enlaces de hidrógeno. En el caso de un tubo de vidrio de SiO2, habrá átomos de oxígeno en la superficie a los que unirse, y aunque no sé nada sobre la química del papel, es orgánico, así que estoy seguro de que hay cadenas de OH colgantes con las que unirse.

La masa de agua que se mueve a través de cada poro es en realidad bastante pequeña, por lo que si imagina el papel como un conjunto de capilares cilíndricos "ideales", el potencial gravitatorio de cada columna individual es muy débil, por lo que el agua puede elevarse bastante. antes de que el potencial gravitatorio venza a la combinación de cohesión y adhesión.

(Con el fin de dar una respuesta amplia, recuerdo que en la escuela secundaria hice un excelente experimento de química con una técnica basada en este efecto, llamada cromatografía en papel )

Editar: he agregado un poco sobre el posible origen microscópico de la adhesión.

La respuesta anterior te dice por qué el agua sube pero no explica de dónde viene la energía. Para que el agua se mueva hacia arriba y, por lo tanto, gane energía potencial gravitacional, debe tener alguna pérdida de energía en otro lugar para compensar.

Parte de la energía proviene del movimiento molecular aleatorio del calor que se extiende desde el borde del agua hasta los tubos/superficies capilares. Entonces, el agua se enfría a medida que asciende debido a la reducción de la energía requerida para compensar la reducción de la energía gravitatoria.

Parte de esto proviene de la pérdida de energía gravitacional en el vidrio.

Esta parte del problema puede verse como lo mismo que sucede cuando tomas un tubo de ensayo y lo colocas en una tina llena de agua, llenas el tubo con agua y luego lo inviertes y sacas el extremo cerrado del agua para que parte del agua en el extremo cerrado del tubo se eleva por encima del agua en el resto de la tina. ¿De dónde viene la energía para esto?

Dos fuentes, no una:

1) Desde su brazo moviendo el tubo hacia arriba y tirando del extremo del tubo.

2) Por el descenso del nivel del agua en la tina y, por lo tanto, dejando menos energía potencial gravitatoria para el agua restante en la tina.

Si considera un tubo largo colocado en la bañera. Esa agua en el tubo subirá al nivel del agua fuera del tubo. Si conecta el extremo del tubo por encima del agua a una válvula cerrada que conduce a una cámara de vacío, el nivel del agua permanecerá igual. Si abre la válvula, el nivel del agua aumentará. El vacío en sí mismo no suministra energía y no puede realizar ningún trabajo ya que no hay moléculas ni fuerzas involucradas. Lo que hace el trabajo es intercambio de energía potencial de la gravedad del agua en la tina. Empuja el agua en el tubo haciendo que se eleve.

Entonces, para la acción capilar que describe, parte de la energía proviene de la pérdida de energía potencial del agua o fluido fuera del tubo capilar, y parte proviene de la pérdida de calor en el agua y el papel higiénico.