Capilaridad tensiòn-permeabilidad
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El documento describe los mecanismos de movimiento interno de humedad en la madera, incluyendo el movimiento capilar del agua libre, la difusión del agua ligada y la difusión del vapor. El movimiento capilar depende de la tensión superficial, el tamaño del lumen y las punteaduras, mientras que la difusión ocurre debido a gradientes de humedad y está influenciada por la densidad y dirección de la fibra. La permeabilidad también afecta el movimiento de agua y depende de la estructura anatómica de
Capilaridad tensiòn-permeabilidad
- 2. MECANISMOS DE MOVIMIENTO INTERNO DE HUMEDAD Los complejos mecanismos de movimiento interno de agua durante el secado pueden describirse de manera simplificada como: 1) Movimiento capilar del agua libre en las cavidades celulares 2) Difusión del agua ligada en la pared celular 3) Difusión del vapor en las cavidades celulares.
- 3. MOVIMIENTO CAPILAR DE AGUA LIBRE El movimiento del agua libre en las cavidades celulares, es similar al transporte de agua a través de una cañería en que el agua que brota por un extremo es continuamente reemplazado por el agua proveniente del interior. El movimiento capilar es debido a diferencias de presión y depende del tamaño del lumen y de las punteaduras de las células.
- 4. Participa también la tensión superficial del agua, de manera simplificada la relación es como sigue: 2 γ P = --------- (Formula 34) R Donde: P = tensión capilar (at.) γ = tensión superficial (at-um.) R = radio capilar (um.)
- 5. La tensión capilar, es una diferencial de presión negativa, que genera un efecto de succión que actúa sobre el agua capilar y las paredes de las fibras que contienen el agua. El efecto es más pronunciado en la medida que el radio capilar es de menor magnitud. El movimiento capilar, la tensión capilar, asociadas, facilita el movimiento de agua libre, pero puede ocasionar colapso, producir racimos de humedad y aspira las punteaduras durante el secado de la madera.
- 6. 1.Los lúmenes de las células están completamente llenos de agua libre, excepto en dos, que muestran burbujas de aire de distinto tamaño. El secado ocurre desde la superficie la cual esta expuesta al aire. En este caso el radio capilar es relativamente grande y la tensión capilar pequeña. 2.El agua de los lúmenes más cerca de la superficie se ha evaporado, bajando la superficie de evaporación al nivel de las punteaduras de las células. Disminuye en consecuencia el radio capilar.
- 8. 3.El radio capilar es reducido a un tamaño del mismo orden de grandeza que la burbuja más grande, entonces la tensión capilar actúa sobre la interface aire -liquido que rodea la burbuja, permitiendo la expansión de la burbuja de aire. La expansión de la burbuja, empuja el agua desde el interior hasta la superficie de evaporación. 4.El agua contenida en el lumen con la expansión de la burbuja ha sido removida completamente. Se observa que la célula más interna, ha secado primero y por tanto esta con menor cantidad de agua que células más cerca de la superficie. Estas últimas pueden en ocasiones quedar con humedad, debido a la expansión de las burbujas de los lúmenes interiores, en este caso si presentan los RACIMOS DE HUMEDAD.
- 10. 5.El radio capilar puede seguir reduciéndose, al internarse la superficie de evaporación a través de la puntedura. Cuando alcance el tamaño de la burbuja menor, la tensión capilar actuara sobre ella permitiendo, la expansión de la burbuja y en consecuencia se empujará el agua de esta célula hasta la superficie de evaporación. 6.La expansión de la burbuja, ha permitido evacuar toda el agua contenida en el lumen de la célula.
- 12. 7.La superficie de evaporación continúa internándose y llega ahora nuevamente al lumen de una célula interior con un mayor radio capilar. 8.La evaporación continua y la superficie de evaporación llega otra vez a las punteaduras, donde el radio capilar disminuye. Por la ausencia de burbujas de aire, que absorban parte de la tensión capilar en su expansión, la tensión capilar tiende a ser de mayor magnitud. Esta tensión actúa principalmente sobre las paredes celulares, con un efecto de succión perpendicular a las fibras.
- 14. 9.La tensión capilar puede ocasionar el COLAPSO de la madera, cuando el radio capilar es demasiado pequeño, que genera tensiones capilares sobre la pared celular de las fibras que superan la resistencia en tensión perpendicular a las fibras; muchas especies pueden desarrollar GRIETAS INTERNAS localizadas en la madera inicial. 10.El movimiento de agua libre continua hasta evaporarse completamente.
- 16. DIFUSION DE AGUA Alrededor del punto de saturación de las fibras, el movimiento capilar pierde importancia muy rápidamente, a consecuencia del predominio del movimiento de las moléculas de agua ligada por difusión. El movimiento de agua ligada por debajo del punto de saturación de las fibras, se produce como resultado de gradientes de contenido de humedad, entre los pequeños espacios submicroscópicos de la pared celular.
- 17. Como en la pared celular las moléculas de agua están unidas en los sitios de sorción por el enlace de hidrógeno, se requiere una cierta cantidad de energía para liberar la molécula de su lugar. Esta energía se incrementa a medida que disminuye la humedad de la madera. Al romperse el enlace, la molécula se desplaza a un nuevo sitio de sorción, hasta llegar a la superficie de evaporación. Durante el secado de la madera, existen muchas moléculas de agua moviéndose de un sitio a otro, de la forma señalada.
- 18. La difusión de humedad a través de la madera, puede ser descrita en forma simplificada, para condiciones de flujo constante por la primera ley de Fick, como sigue: ∆ M F = d Soa ---------- (Formula 35) L Donde: F = flujo de humedad en g/cm2 - s. ΔM = gradiente de humedad en °/1. Soa = densidad nominal en g/cm3. L = largo en la dirección del flujo en cm. d = coeficiente de difusión en cm2/s.
- 19. En todo caso el transporte de agua bajo el punto de saturación de las fibras es un movimiento combinado de agua ligada y de vapor de agua. Es la difusión de agua ligada la que más contribuye al movimiento transversal de agua durante el secado de la madera. La difusión de vapor, ocasionada por gradientes de presión de vapor, contribuye mejor al flujo longitudinal y su efecto en la dirección transversal es más notable, cuando la madera esta más seca. Además de la humedad, la temperatura y la dirección del grano, la densidad de la madera condicionan la difusión de agua a través de la madera (Figura 18).
- 21. Como referencia, el orden de grandeza de la difusión de agua en algunas maderas chilenas se presenta en el siguiente cuadro: Coeficiente de difusión transversal a flujo constante y 40 °C. ESPECIE d * 108 (cm2 /s) Tangencial Radial Pino radiata 45 65.3 Mañio 42.3 57.7 Canelo 57.4 80.8 Coigue 6.9 8.5 (Fuente: Ananías y Gutierrez)
- 22. PERMEABILIDAD DE LA MADERA Propiedad de la madera de la que depende el movimiento interno de agua (velocidad del flujo de gases y líquidos). La permeabilidad de la madera es representada por la ley de Darcy. k Δ P F = ------ x --------- (Formula 36) n L Donde: F = flujo volumétrico de líquido (c3/cm.at.s.) K = permeabilidad especifica de la madera (darcy.) n = viscocidad del fluido cp. ΔP = gradiente de presión (at.) L = largo de la madera en la dirección del flujo (cm.)
- 23. La permeabilidad, juega un rol importante para el movimiento de agua capilar. En particular el mecanismo de permeabilidad es relevante cuando se somete la madera a alta temperatura o bajo vacío. Las maderas más permeables (pino radiata) se dejan secar más rápidamente que las maderas de menor permeabilidad (eucalipto) y muchas otras especies nativas.
- 24. Además, la permeabilidad de la madera es un parámetro que depende fundamentalmente de la estructura anatómica de la madera, es decir del tamaño de las punteaduras y otras cavidades celulares. Cualquier variación de estas características anatómicas afecta la magnitud de la permeabilidad de la madera, por lo que con frecuencia se presentan grandes variaciones de la permeabilidad en una misma pieza de madera.
- 25. Permeabilidadtransversalparaaguaenmaderasnativas. Especie k*106(darcy) tangencial radial tepa(duramen) 6.5 8.5 renovalraulí(duraminizaciónincipiente) 8.6 10.1 renovalroble(albura) 4.8 12.3 Fuente:Kaumanetal.1994;SalazaryVargas1994
- 26. En adición, la madera es mucho más permeable en la dirección longitudinal que en la dirección transversal. Además, la presencia de duramen implica generalmente una reducción en la permeabilidad de la madera, como consecuencia de tilosis y aspiración de punteaduras. El grado de terminación de la superficie limita además la permeabilidad de la madera, lo que puede favorecer la inactivación de superficies para la aplicación de adhesivos y pinturas.