Fisica della risalita: la Legge Jurin

La capillarità consiste nella fenomenologia insita nell’interazione tra molecole di un fluido e un solido (ad esempio le pareti di un contenitore). Avremo quindi tre forze in gioco: la coesione, l’adesione e la tensione superficiale.

Quando la superficie del fluido (per esempio l’acqua) è curva, nella zona concava si ottiene una pressione superiore a quella presente nella zona convessa. Al fine di creare un equilibrio fra le due pressioni, il fluido dovrà salire o scendere di un certo volume. Questo fenomeno è maggiormente evidente nei tubicini capillari poiché, in questi particolari tubi, è superiore la parte di fluido che è a contatto con le pareti del contenitore rispetto al volume complessivo perciò la parte di fluido che determinerà le forze di adesione sarà superiore e, di conseguenza, lo spostamento del livello del fluido dentro il capillare sarà maggiore.

Il nome capillare deriva dal capello poiché questo fenomeno è evidente in particolar modo all’interno di tubicini che hanno diametro inferiore a quello di un capello.

Dal fenomeno della capillarità dell’acqua deriva il termine “imbibire” o “imbibizione“, che sta a indicare il movimento nel capillare delle molecole dell’acqua che gonfiano la sostanza stessa che imbevono. Introdotto un liquido in un recipiente, si potrà osservare che potrà gonfiarsi sia verso l’alto (olio, mercurio) , sia verso il basso come con l’acqua. Tale rigonfiamento caratteristico è denominato menisco.

Per un capillare a forma cilindrica che ha un raggio r, si può calcolare l’innalzamento o l’abbassamento del livello del fluido nel capillare rispetto a quello del liquido all’interno del recipiente esterno (legge di Jurin):

In questo schema semplificato, si può denotare che  il tubicino con diametro minore ha una altezza di risalita del fluido superiore al tubicino con raggio maggiore. Ovviamente, la legge di Jurin è un modello fatto in laboratorio visto che l’acqua stessa all’interno dei capillari della muratura non è mai statica ma soggetta a movimento continuo.

Il doppio strato elettrico o doppio strato di Helmoltz consiste in un fenomeno che avviene tra il contatto di un solido e un liquido nei cui punti di contatto si ottiene un trasferimento della carica elettrica con annessi fenomeni. In una cella elettrochimica l’aspetto solido è indicato dall’elettrodo mentre l’aspetto liquido è l’elettrolita  (soluzione elettrolitica o sale fuso).

Si avranno così due elettrodi con due polarità: il catodo e l’anodo e due strati elettrici ognuno inerente a un elettrodo. Tale fenomeno venne osservato per la prima volta verso la seconda metà dell’ottocento da Hermann Von Helmoltz.
Se trasponiamo questo fenomeno all’interno di un capillare di una muratura interessata da umidità di risalita, potremo osservare  che al cune molecole dell’acqua vengono attratte dal lato positivo dalla parete del capillare che ha carica negativa.

Tale attrazione è, quindi, il fenomeno che sta alla base dell’umidità di risalita capillare dell’acqua verso l’alto.
Ovviamente, visto che l’attrazione delle pareti del capillare è molto debole, solo un paio di strati di molecole sono soggette a tale attrazione e le altre molecole libere risalgono solo perché legate tra di loro e non per attrazione.

Da questo presupposto possiamo quindi osservare che minore è il diametro del capillare e maggiore sarà la risalita delle particelle di acqua al suo interno e viceversa.

Figura 3. Rappresentazione del “doppio strato di Helmholtz”.