Powierzchnia każdego płynu ma powiązaną energię na jednostkę powierzchni, znaną jako energia powierzchniowa, czyli napięcie powierzchniowe. Ta energia nie jest właściwością samego płynu, ale płynu i ośrodka, z którym się styka.

W twoim przypadku masz skojarzone energie powierzchniowe dla interfejsu woda-powietrze, $ e_ { wa} $, a także dla interfejsu papieru wodnego, $ e_ {wp} $. Całkowita energia płynu w konfiguracji jest sumą energii potencjalnej plus iloczyn odpowiednich energii powierzchniowych przez ich odpowiednie pola powierzchni, $ S_ {wa} e_ {wa} + S_ {wp} e_ {wp} $ .

Więc jeśli chcesz spojrzeć na to z punktu widzenia czysto bilansu energetycznego, wzrost energii potencjalnej wody wspinającej się po papierze jest kompensowany przez zmniejszenie całkowitej energii powierzchniowej. Kiedy działanie kapilarne powoduje wzrost rzeczy, dzieje się tak, ponieważ energia cieczy i ciała stałego jest niższa niż energia cieczy i powietrza. Wnikając w materiał porowaty, obszar kontaktu ciała stałego z cieczą zwiększa się kosztem cieczy i powietrza, co powoduje ogólne zmniejszenie energii kontaktu, co napędza wzrost energii potencjalnej.

Fizyka, która za tym stoi, to ta sama akcja kapilarna, która powoduje, że woda przemieszcza się w górę wąskich cylindrycznych kanałów.

Bibułka jest wyjątkowo porowata, ale pory są wystarczająco wąskie, aby kohezja między cząsteczkami wody (faktycznie napędzana oddziaływaniem Coulomba, ponieważ cząsteczki wody są polarne) i adhezja między wodą a powierzchnią porów łączą się, aby „podnieść” wodę do porów. Myślę, że adhezja jest najprawdopodobniej napędzana przez wiązania wodorowe. W przypadku szklanej rurki SiO2 na powierzchni będą znajdować się atomy tlenu do związania i chociaż nie wiem nic o chemii papieru, jest on organiczny, więc jestem pewien, że są wiszące łańcuchy OH, z którymi można się związać.

Masa wody przepływającej przez każdy por jest w rzeczywistości dość mała, więc jeśli wyobrazisz sobie papier jako zestaw "idealnych" cylindrycznych kapilar, potencjał grawitacyjny każdej pojedynczej kolumny jest bardzo słaba, więc woda może trochę się podnieść, zanim potencjał grawitacyjny przebije połączenie spójności i adhezji.

(Aby udzielić szerokiej odpowiedzi, pamiętam, że w liceum zgrabny eksperyment chemiczny z techniką opartą na tym efekcie, zwaną chromatografią papierową)

Edycja: Dodałem trochę na temat możliwego mikroskopowego pochodzenia przyczepności.

Poprzednia odpowiedź wyjaśnia, dlaczego woda podnosi się, ale nie wyjaśnia, skąd pochodzi energia. Aby woda podniosła się, a tym samym zyskała potencjalną energię grawitacji, musisz mieć jakąś stratę energii w innym miejscu, aby to zrekompensować.

Część energii pochodzi z przypadkowego ruchu molekularnego ciepła, który rozciąga się wzdłuż krawędzi wody w górę rur / powierzchni kapilar. Więc woda ochładza się podczas wznoszenia z powodu zmniejszenia energii wymaganej do skompensowania zmniejszonej energii grawitacyjnej.

Część z nich pochodzi z utraty energii grawitacyjnej w szkle.

To część problemu można potraktować tak samo, jak to, co dzieje się, gdy weźmiesz probówkę i umieścisz ją w wannie wypełnionej wodą, napełnisz probówkę wodą, a następnie odwrócisz i wyciągniesz zamknięty koniec z wody, aby trochę woda w zamkniętym końcu rurki unosi się ponad wodę w pozostałej części wanny. Skąd bierze się do tego energia?

Dwa źródła, a nie jedno:

1) Z ramienia przesuń rurkę do góry i pociągnij za koniec rurki.

2) Od obniżenia poziomu wody w wannie, pozostawiając w ten sposób mniej grawitacyjnej energii potencjalnej dla pozostałej wody w bębnie.

Jeśli weźmiesz pod uwagę długą rurkę umieszczoną w bębnie. Woda w rurze podniesie się do poziomu wody poza rurą. Jeśli przymocujesz koniec rury nad wodą do zamkniętego zaworu prowadzącego do komory próżniowej, poziom wody pozostanie taki sam. Jeśli otworzysz zawór, poziom wody wzrośnie. Sama próżnia nie dostarcza energii i nie może działać, ponieważ nie ma w niej żadnych cząsteczek ani sił. Praca polega na wymianie energii potencjalnej z grawitacji wody w wannie. Popycha wodę w rurce, powodując jej podniesienie.

Więc jeśli chodzi o działanie kapilarne, które opisujesz, część energii pochodzi z utraty potencjalnej energii wody lub płynu poza rurką kapilarną, a część pochodzi z utraty ciepła w wodzie i papierze toaletowym.