Metodo Salita Capillare: Misurare Tensione Superficiale con Precisione
Il metodo salita capillare è una tecnica classica, elegante, per determinare la tensione superficiale (γ) di un liquido misurando l'altezza che sale in un tubo stretto per forze adesive tra liquido e parete tubo.
Principio Fisico
All'equilibrio, la forza verso l'alto dalla tensione superficiale (agente lungo linea contatto) bilancia il peso della colonna liquida sollevata:
2πr γ cos θ = πr² h ρ g
Risolvendo per γ:
$$ \gamma = \frac{\rho g h r}{2 \cos \theta} $$
Variabili
| Simbolo | Quantità | Unità | Note |
|---|
| γ | Tensione superficiale | N/m (o mN/m) | Incognita target |
| ρ | Densità liquido | kg/m³ | Misura a temp test (picnometro) |
| g | Accelerazione gravitazionale | 9,80665 m/s² | Valore locale se precisione necessaria |
| h | Altezza salita capillare | m | Superficie bulk a fondo menisco |
| r | Raggio interno tubo | m | Deve essere noto con precisione (calibrato) |
| θ | Angolo contatto | gradi | Acqua/vetro pulito ≈ 0° (cos θ ≈ 1) |
Procedura Sperimentale
- Selezione tubo: Capillare precision bore (r noto ±0,001 mm). Pulizia meticolosa (acido cromico, piranha, plasma clean) — contaminazione altera θ drasticamente.
- Setup: Morsetto verticale. Abbassa in liquido finché punta tocca superficie.
- Equilibrazione: Attendi stabilizzazione menisco (minuti). Evita vibrazioni.
- Misura altezza: Microscopio viaggiante o catetometro lettura fondo menisco (per menisco concavo). Riferimento: livello liquido bulk.
- Determinazione densità: Picnometro alla stessa temperatura (±0,1°C).
- Angolo contatto: Misura (goniometro) o usa valore letteratura per coppia liquido/tubo. Per acqua/vetro pulito, assume 0°.
- Calcola γ.
Considerazioni Pratiche Critiche
- Controllo temperatura: γ e ρ variano con T (acqua: γ ≈ 72,8 mN/m a 20°C; −0,15 mN/m/°C). Usa bagno termostatato.
- Pulizia è fondamentale: Impurità tensioattive (livello ppm) abbassano drasticamente γ e alterano θ. Risciacqua con solvente alta purezza, cuoci.
- Raggio tubo: r piccolo → h maggiore (migliore precisione) ma <1 mm rischia intasamento, menisco non cilindrico. Tipico: 0,2–1 mm.
- Liquidi opachi: Usa tubo trasparente + catetere/fibra ottica per vedere menisco, o metodo alternativo (goccia pendente, piastra Wilhelmy).
- Dinamico vs equilibrio: Questo misura γ equilibrio. Tensione superficiale dinamica richiede metodi bolla/jet oscillanti.
Esempio: Acqua a 20°C
r = 0,5 mm, h = 29,6 mm, ρ = 998,2 kg/m³, θ ≈ 0°
γ = (998,2 × 9,80665 × 0,0296 × 0,0005) / (2 × 1) = 0,0728 N/m = 72,8 mN/m ✓
Il metodo salita capillare rimane uno standard primario per tensione superficiale — semplice in principio, esigente in esecuzione.