LAB. MECÁNICA DE FLUIDOS I - TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD

TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD

I. OBJETIVOS:1. Determinar la tensión superficial del agua2. Investigar que es la capilaridad y la presión complementaria en un tubo

capilar

II. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Las fuerzas superficiales (cohesión: líquido-líquido, adhesión: líquido-sólido) son responsables de muchos fenómenos con interés biológico, basadas en los conceptos de tensión superficial y capilaridad.

Los líquidos tienen un volumen fijo. Sin embargo, su forma varía (cambia el área de la superficie que los envuelve): se adaptan al recipiente (ocupando la zona más baja por gravedad) dejando una superficie libre (no totalmente plana) o adoptan formas especiales: gotas, pompas y burbujas.

1. TENSIÓN SUPERFICIAL.

Las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan a propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial. Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial), y al hacerlo el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible.

La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica

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de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. 

Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando está en contacto un líquido con un recipiente.

A la fuerza que actúa por centímetro de longitud de una película que se extiende se le llama tensión superficial del líquido, la cual actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido. La tensión superficial es numéricamente igual a la proporción de aumento de la energía superficial con el área y se mide en erg/cm2 o en dinas/cm.

La energía superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma (g).

1.2. VALOR DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL

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El valor de la tensión superficial en una película de un líquido se define como la razón de la fuerza superficial a al longitud a lo largo d la cual actúan.Para un anillo que se extrae de un recipiente con agua, como muestra la fig. la longitud total de adherencia es igual a ala suma de la circunferencia externa mas la circunferencia interna.

Medida De La Tensión Superficial De Un Líquido

El método de Du Nouy es uno de los más conocidos. Se mide la fuerza adicional ΔF que hay que ejercer sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lámina de líquido se va a romper.

La tensión superficial del líquido se calcula a partir del diámetro 2R del anillo y del valor de la fuerza ΔF que mide el dinamómetro.

El líquido se coloca en un recipiente, con el anillo inicialmente sumergido. Mediante un tubo que hace de sifón se extrae poco a poco el líquido del recipiente.

En la figura se representa:

a) El comienzo del experimento b) Cuando se va formando una lámina de líquido. c) situación final, cuando la lámina comprende únicamente dos superficies

(en esta situación la medida de la fuerza es la correcta) justo antes de romperse.

Valores para diferentes materiales

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Líquido (10α -3 N/m)

Aceite de oliva 33.06

Agua 72.8

Alcohol etílico 22.8

Benceno 29.0

Glicerina 59.4

Petróleo 26.0

2. CAPILARIDAD

II.1. PRESIÓN COMPLEMENTARIACuando un líquido moja la superficie del tubo capilar, el líquido asciende por el tubo hasta que la fuerza neta que actúa sobre el líquido debido a la tensión superficial quede equilibrada con el peso del propio líquido.

II.2. LA CAPILARIDAD

Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

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II.3. TUBO CAPILAR

Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar; cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el agua, se forma un menisco cóncavo; la tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza de la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares.

El peso de la columna líquida es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo, por lo que un tubo angosto succionará el líquido en una longitud mayor que un tubo ancho. Así, un tubo de vidrio de 0,1 mm de diámetro levantará una columna de agua de 30 cm. Cuanto más pequeño es el diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada. En capilares de 1 µm (micrómetro) de radio, con una presión de succión 1,5 × 103 hPa (hectopascal = hPa = 1,5 atm), corresponde a una altura de columna de agua de 14 a 15 m.

Dos placas de vidrio que están separadas por una película de agua de 1 µm de espesor, se mantienen unidas por una presión de succión de 1,5 atm. Por ello se rompen los portaobjetos humedecidos al intentar separarlos.

Entre algunos materiales, como el mercurio y el vidrio, las fuerzas intermoleculares del líquido exceden a las existentes entre el líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco convexo y la capilaridad trabaja en sentido inverso.

Las plantas succionan agua del terreno por capilaridad, aunque las plantas más grandes requieren de la transpiración para desplazar la cantidad necesaria.

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II.4. LEY DE JURIN

La ley de Jurin define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido y la fuerza de ascensión por capilaridad. La altura h en metros de una columna líquida está dada por la ecuación:

=Θ Angulo de contacto.

Dónde:

 = tensión superficial interfacial (N/m)

θ = ángulo de contacto

ρ = densidad del líquido (kg/m³)

g = aceleración debida a la gravedad (m/s²)

r = radio del tubo (m)

Para un tubo de vidrio en el aire a nivel del mar y lleno de agua,

 = 0, 0728 N/m a 20 °C

θ = 0°

ρ = 1000 kg/m³

g = 9, 80665 m/s²

Entonces, la altura de la columna de agua, en metros, será:

.

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Por ejemplo, en un tubo de 1 mm de radio, el agua ascenderá por

capilaridad unos 14 mm.

II.5. PREGUNTAS COMPLEMENTARIAS DE INTERÉS

1. Explique porque las pompas de jabón y las gotas de agua tienen la forma esférica y no triangular o cuadrada?Por que la fuerza de contracción de la burbuja es igual en cualquier parte de la pared interna de la burbuja, y la fuerza de expansión del aire también es igual en cualquier parte de la pared interna, ambas son dinámicas, entonces si tenemos un cuerpo que ejerce una fuerza de empuje igual en todas direcciones y otro que lo contiene ejerciendo una fuerza de contracción igual en todas direcciones...la única forma que puede cumplir con esas condiciones es la ESFÉRICA, (vectorialmente).Imagínense un globo cuadrado, la esquina del globo es un vector mayor al vector que está en Angulo recto a la cara "cuadrada2 entonces no se cumplirían las leyes de gases, que deben ejercer la misma fuerza en todas direcciones.Por eso se hace redonda la burbuja. Además que en el interior de una gota o una burbuja en equilibrio hay una presión superior a la exterior. Este exceso de presión es debido a la curvatura de la superficie límite de separación.

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En el agua, al igual que ocurre en todos los líquidos, las moléculas establecen interacciones atractivas que las mantienen cohesionadas. En el interior, una molécula de agua está rodeada de otras de su misma especie. Las interacciones se distribuyen en todas las direcciones sin existir ninguna privilegiada. Sin embargo en la interface que limita la gota y la separa del aire, la situación es diferente. Una molécula de agua que ocupe cualquier posición de esta superficie, no tiene a otras sobre ella, lo que significa que no está sometida a interacciones con otras moléculas de agua, más allá de la interface.

En consecuencia se da una asimetría en la distribución de interacciones y la aparición de una Fuerza resultante neta que apunta hacia el interior de la gota.

Debido a la tensión superficial y a la aparición de esta fuerza hacia el interior, las gotitas pequeñas de un líquido tienden a adquirir forma esférica. Cuando se forma la gota, la tensión superficial tiende a comprimirla reduciendo al mínimo posible la superficie de la misma, resultando así esférica la gota.

Para el caso de Las pompas de jabón tienden a tomar la forma esférica, para minimizar la tensión superficial, al ser esta la forma en la que la superficie es mínima para un volumen dado. El aire contenido dentro de la pompa se encierra en una esfera porque en la naturaleza, la esfera es la forma que mas volumen puede contener, además la presión del aire tanto dentro como fuera de la pompa es igual en todos los puntos de la esfera, lo que la fuerza a tomar forma esférica como ejemplo a otro nivel por la misma razones el sol es redondo...la energía de expansión es como de un gas y la fuerza que lo continúe es la gravedad.

2. ¿Qué relación hay entre la capilaridad la tención superficial?

El fenómeno de la capilaridad supone el ascenso o descenso de un líquido en un tubo de pequeño diámetro (tubo capilar), o en un medio poroso (por ej. un suelo), debido a la acción de la tensión superficial del líquido sobre la superficie del sólido. Este fenómeno es una excepción a la ley hidrostática de los vasos comunicantes, según la cual una masa de líquido tiene el mismo nivel en todos los puntos; el efecto se produce de forma más marcada en tubos capilares, es decir, tubos de diámetro muy pequeño. La capilaridad, o acción capilar, depende de las fuerzas creadas por la tensión superficial y por el mojado de las paredes del tubo. Si las fuerzas de adhesión del líquido al sólido (mojado) superan a las fuerzas de cohesión dentro del líquido (tensión superficial), la superficie del líquido será cóncava y el líquido subirá por el tubo, es decir, ascenderá por encima del nivel hidrostático. Este efecto ocurre por ejemplo con agua en tubos de vidrio limpios. Si las fuerzas de cohesión superan a las fuerzas de adhesión, la superficie del líquido será convexa y el líquido caerá por debajo del nivel hidrostático. Así sucede por ejemplo con agua

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en tubos de vidrio grasientos (donde la adhesión es pequeña) o con mercurio en tubos de vidrio limpios (donde la cohesión es grande). La absorción de agua por una esponja e un ejemplo de ascensión capilar. El agua sube por la tierra debido en parte a la capilaridad, y algunos instrumentos de escritura como la pluma estilográfica (fuente) o el rotulador (plumón) se basan en este principio

3. Expresa las diferencias entre fuerzas de adhesión y cohesión.La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto también se da entre una sustancia a una superficie, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.

La adhesión ha jugado un papel importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero es un ejemplo claro.

La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo unido por fuerzas intermoleculares que enlazan moléculas similares entre sí, tal como los puentes de hidrógeno son llamados fuerzas cohesivas, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos. En los gases la fuerza de cohesión puede observarse en su licuefacción que tiene lugar al comprimir una serie de moléculas y producirse fuerzas de atracción suficientemente altas para producir una estructura líquida. En los líquidos, la cohesión se refleja en la tensión superficial causada por una fuerza no equilibrada hacia el interior del líquido que actúa sobre las moléculas superficiales y también en la transformación de un líquido en sólido cuando se comprimen las moléculas lo suficiente. Ejemplo:El agua colocada en un capilar se adhiere a este, debido a que las fuerzas adhesivas entre el agua y las paredes del capilar son más grandes que las fuerzas cohesivas entre las moléculas de agua. La capilaridad, es el fenómeno al cual se debe, parcialmente, el ascenso de la savia desde las raíces hasta las hojas

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4. En las plantas, el agua se transporta hasta la punta de la planta a través de tubo de xilema muy delgado, cuyo diámetro puede ser de hasta4x10¯ m. ¿Hasta qué altura ascenderá el agua dentro de esos⁶ vasos por acción capilar? Considere ángulo de contacto cero.

La capilaridad que es una propiedad derivada de la tensión superficial, también es aprovechada por las plantas. El agua llega desde las raíces de una planta a las hojas, por este mecanismo. Las moléculas de agua se atraen más hacia la superficie en la que se mueven que unas a otra. Esto permite el ascenso del agua por pequeños tubos de los tallos de la planta, desde las raíces hacia las hojas.

Sabemos que:

diámetro θ4x10-6 m 0

cosθ= (Pc ) (r )2∝

Como:

cos0=1

Entonces:

2∝H 2O=(Pc ) (r )

4∝H 2O=(Pc ) (D )

4∝H 2O=(ρgh ) (D )

h=4∝H 2OρgD

h= 4 (0.0728 )m(1000 ) (9.8 ) (4 x10−6 )

h=0.2912m0.0392

h=7.428571429m

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h=7.43m

III. CONCLUSIONES

La realización de la investigación para medir la tensión superficial de estos líquidos sirvió principalmente para cumplir el “ver para creer” puesto que se pudo dar respuesta a los diversos interrogante que se presentan en nuestro diario vivir, y se pudieron disipar algunas dudas que frecuentemente observamos y no sabemos darle una respuesta lógica a estos fenómenos.

Se llegó a la conclusión que según el principio de la tensión el agua tendió a subir una altura h, el cual dependería de la fuerza de cohesión y adhesión que son propias del líquido que ascendió por las fuerzas atractivas entre sus moléculas dentro del tubo capilar.

Se llegó a la conclusión que para que haya capilaridad la fuerza de cohesión natural que tiene que ser mayor a la fuerza de adhesión. Y que la tensión superficial de un líquido es una propiedad exclusiva y específica de cada líquido, y que depende de la temperatura, estado del entorno, presión atmosférica.

IV. BIBLIOGRAFÍA

Mecánica de los fluidos e hidráulica ( ranal v. giles y otros) editorial Mc Graw Hill

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/tension/introduccion/introduccion.htm

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/cohesi%C3%B3n/Tension%20superficial.htm

tema II tensión superficial, Dr. Juan pablo torres papaqui, departamento de astronomía, universidad de Guanajuato-mexico-2011. PDF

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