Waar komt de energie vandaan wanneer water in een capillair vat omhoog klimt ?

Steek een glazen rietje in het water en het water klimt er middels adhesie in omhoog.

Dat omhoog klimmen lijkt vanzelf te gaan, maar dat kan niet, imers met het omhoog klimmen van het water neemt ook de potentiële energie toe. Die energie moet ergens vandaan komen.

Weet jij het antwoord?

/2500

Het beste antwoord

Dit heet ook potentiële energie. In feite moet je de vraag andersom stellen... Aangezien de vloeistof wanneer ze in het capillair 'kruipt' onder invloed staat van de capillaire krachten is de vraag eigenlijk: wat gebeurt er met die energie? En het antwoord is bijster eenvoudig: het wordt kinetische energie, want wanneer het water in een capillair omhoog klimt doet het dat met een bepaalde snelheid. Wanneer het water uiteindelijk tot stilstand komt is die energie omgezet in warmte. Dit door een extra kracht: de wrijvingskracht in het capillair. Het capillair en de vloeistof warmen samen dus een verwaarloosbaar klein beetje op. Terug naar hoe je de vraag bedoelt: een kracht zet potentiële energie om in kinetische energie. Meestal is die kracht de zwaartekracht en bevat de vloeistof (in dit geval) meer potentiële zwaartekrachtenergie naarmate deze zich hoger bevindt. Vervang zwaartekracht in dit verhaal door de adhesiekracht in een capillair en je krijgt in feite hetzelfde resultaat: onder invloed van deze kracht gaat de vloeistof naar een lagere energietoestand binnen dit krachtveld. Je zou dit in dit geval gewoon de potentiële capillair-energie kunnen noemen. De vraag is dus in feite niet: "waar komt de energie vandaan?" maar wel "waar gaat deze energie naartoe?" en die vraag is bij deze reeds beantwoord. Noem het potentiële energie, noem het capillaire energie, noem het zoals je wilt, de wet van behoud van energie geldt gewoon nog steeds. Want we kunnen ook een extra stap terug gaan: je zou meer kracht op de vloeistof in het capillair kunnen uitoefenen door hier meer druk op te zetten (onder bepaalde voorwaarden ook een vorm van energie!), het vloeistofpeil in het capillair zal dalen net zolang tot je de druk wegneemt en vervolgens zal de vloeistof weer omhoog klimmen. De energie waarmee de vloeistof dit doet heb je pas daarvoor toegevoegd in de vorm van druk. Waar de energie vandaan komt hangt dus sterk af van hoe je de situatie bekijkt.

Capillaire krachten, adhesie, worden veroorzaakt door de oppervlaktespanning van het water. In water zit potentiële energie opgeslagen, maar alleen op moleculair niveau. Watermoleculen trekken elkaar aan. De watermoleculen aan het oppervlak hebben geen 'bovenburen' en de capillaire werking kun je dus zien als een soort 'magnetisme'. Als je een magneet boven een spijker houdt en de magneet vliegt naar boven, dan vraag je je ook niet af waar die energie vandaan komt. Net zoiets dus bij water en adhesie.

Bij verdamping is het zo dat de resterende vloeistof afkoelt. Dat komt omdat de snelste moleculen de vloeistof verlaten, waardoor de gemiddelde snelheid van de moleculen in de vloeistof lager wordt. Waarschijnlijk is het bij de capillaire werking ook zo. De snelste moleculen komen het hoogst, waardoor de vloeistof afkoelt. Maar omdat er maar weinig water in het capillair staat, en de verdamping in het capillair erg klein is, zal de temperatuurdaling zeer gering zijn.

Er wordt geen energie gebruikt bij de stijging van een vloeistof in een capilair vat, hij hoeft dus ook nergens vandaan te komen. In de formule waarmee de hoogte wordt berekend die met capillaire werking kan worden bereikt is de gravitatieconstante opgenomen. Als deze nul wordt, dus zwaartekracht niet aanwezig is, dan is de hoogte die bereikt kan worden oneindig. In een capillair stijgt de vloeistof totdat de capillaire kracht, als je het zo mag noemen, in evenwicht is met de zwaartekracht. De potentiele energie van de kolom komt daarmee volledig voor rekening van de zwaartekracht. Dit uit zich in een minimale temperatuurdaling van de vloeistof die weer teniet gedaan wordt als de capillaire werking wordt opgeheven. Dankzij deze vraag ben ik er achter gekomen dat in de ruimtevaart capillaire werking wordt gebruikt om vloestoffen in gewichtloze omgevingen naar de uitgang van een tank te leiden. Een probleem waar ik eigenlijk nooit bij stil heb gestaan :-)

Stel zelf een vraag

Ben je op zoek naar het antwoord die ene vraag die je misschien al tijden achtervolgt?

/100