La tensión superficial es un fenómeno en el que la superficie de un líquido, donde el líquido está en contacto con un gas & amp; amp; nbsp; actúa como una lámina elástica delgada. Este término se usa típicamente solo cuando la superficie líquida está en contacto con gas (como el aire). Si la superficie está entre dos líquidos (como agua y aceite), se llama & amp; quot; tensión de interfaz.& amp; quot;
Causas de la tensión superficial
Varias fuerzas intermoleculares, como las fuerzas de Van der Waals, unen las partículas líquidas. A lo largo de la superficie, las partículas se empujan hacia el resto del líquido, como se muestra en la imagen a la derecha.
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La tensión superficial (denotada con la variable griega gamma ) se define como la relación de la fuerza superficial F a la longitud d a lo largo de la cual la fuerza actúa: (tixagb_1
gamma = F / d
Unidades de tensión superficial
La tensión superficial se mide en unidades SI de N / m (newton por metro), aunque la unidad más común es la unidad cgs dyn / cm (dyne por centímetro).
Para considerar la termodinámica de la situación, a veces es útil considerarla en términos de trabajo por unidad de área. La unidad SI, en ese caso, es el J / m2 (julios por metro al cuadrado). La unidad cgs es erg / cm2.
Estas fuerzas unen las partículas de la superficie. Aunque esta unión es débil, es bastante fácil romper la superficie de un líquido después de todo, se manifiesta de muchas maneras.
Ejemplos de tensión superficial
Gotas de agua. Cuando se usa un gotero de agua, el agua no fluye en una corriente continua, sino en una serie de gotas. La forma de las gotas es causada por la tensión superficial del agua. La única razón por la que la gota de agua es completamente esférica es porque la fuerza de gravedad tira hacia abajo. En ausencia de gravedad, la caída minimizaría el área de la superficie para minimizar la tensión, lo que daría como resultado una forma perfectamente esférica.
Insectos caminando sobre el agua. Varios insectos pueden caminar sobre el agua, como el control del agua. Sus patas se forman para distribuir su peso, haciendo que la superficie del líquido se deprima, minimizando la energía potencial para crear un equilibrio de fuerzas para que el zancudo pueda moverse a través de la superficie del agua sin romperse en la superficie. Esto es similar en concepto a usar raquetas de nieve para caminar a través de profundos ventisqueros sin que sus pies se hundan.
Aguja (o clip) flotando sobre el agua. Aunque la densidad de estos objetos es mayor que el agua, la tensión superficial a lo largo de la depresión es suficiente para contrarrestar la fuerza de gravedad que tira hacia abajo sobre el objeto metálico. Haga clic en la imagen a la derecha, luego haga clic en & amp; quot; Next, & amp; quot; para ver un diagrama de fuerza de esta situación o probar el truco de la aguja flotante por usted mismo.
Anatomía de una burbuja de jabón
Cuando sopla una burbuja de jabón, está creando una burbuja de aire presurizada que está contenida dentro de una superficie delgada y elástica de líquido. La mayoría de los líquidos no pueden mantener una tensión superficial estable para crear una burbuja, por lo que el jabón generalmente se usa en el proceso . estabiliza la tensión superficial a través de algo llamado efecto Marangoni.
Cuando se sopla la burbuja, la película superficial tiende a contraerse. Esto hace que aumente la presión dentro de la burbuja. El tamaño de la burbuja se estabiliza en un tamaño donde el gas dentro de la burbuja ganó y se contrajo más, al menos sin reventar la burbuja.
De hecho, hay dos interfaces de gas líquido en una burbuja de jabón: la que está en el interior de la burbuja y la que está en el exterior de la burbuja. Entre las dos superficies hay una película delgada de líquido.
La forma esférica de una burbuja de jabón es causada por la minimización del área de superficie; para un volumen dado, una esfera es siempre la forma que tiene la menor área de superficie.
Presión dentro de una burbuja de jabón
Para considerar la presión dentro de la burbuja de jabón, consideramos el radio R de la burbuja y también la tensión superficial, gamma , del líquido (jabón en este caso – aproximadamente 25 dyn / cm).
Comenzamos asumiendo que no hay presión externa (lo cual, por supuesto, no es cierto, pero nosotros y amp; apos; nos ocuparemos de eso en un momento). Luego considera una sección transversal a través del centro de la burbuja.
A lo largo de esta sección transversal, ignorando la ligera diferencia en el radio interno y externo, sabemos que la circunferencia será 2 pi R . Cada superficie interna y externa tendrá una presión de gamma a lo largo de toda la longitud, por lo que el total. La fuerza total de la tensión superficial (tanto de la película interna como externa) es, por lo tanto, 2 gamma (2 pi R ).
Dentro de la burbuja, sin embargo, tenemos una presión p que actúa sobre toda la sección transversal pi R 2, lo que resulta en una fuerza total de p ( .
Como la burbuja es estable, la suma de estas fuerzas debe ser cero, así que obtenemos:
2 gamma (2 pi R ) = p ( pi R 2)
& lt; br & gt ;
o
& lt; br & gt ;
p = 4 gamma / R
& lt; / br & gt ;
& lt; / br & gt ;
Obviamente, este fue un análisis simplificado donde la presión fuera de la burbuja fue 0, pero esto se expande fácilmente para obtener la diferencia entre la presión interior p y la presión exterior pe : 1)
p – pe = 4 gamma / R
Presión en una gota líquida
Analizar una gota de líquido, a diferencia de una burbuja de jabón, es más simple.En lugar de dos superficies, solo hay que considerar la superficie exterior, por lo que un factor de 2 cae de la ecuación anterior (recuerde dónde duplicamos la tensión superficial para tener en cuenta dos superficies?) para producir:
p – pe = 2 gamma / R
Ángulo de contacto
La tensión superficial ocurre durante una interfaz gas-líquido, pero si esa interfaz entra en contacto con una superficie sólida, como las paredes de un contenedor, la interfaz generalmente se curva hacia arriba o hacia abajo cerca de esa superficie. Tal forma de superficie cóncava o convexa se conoce como menisco
El ángulo de contacto, theta , se determina como se muestra en la imagen a la derecha.
El ángulo de contacto se puede usar para determinar una relación entre la tensión superficial líquido-sólido y la tensión superficial del gas líquido, de la siguiente manera:
gamma ls = – gamma lg cos theta
donde
- gamma ls es la tensión superficial líquido-sólida
- gamma lg es la tensión superficial del gas líquido
- theta es el ángulo de contacto
Una cosa a considerar en esta ecuación es que en los casos en que el menisco es convexo (p. Ej. el ángulo de contacto es mayor a 90 grados), el componente coseno de esta ecuación será negativo, lo que significa que la tensión superficial líquido-sólida será positiva.
Si, por otro lado, el menisco es cóncavo (p. Ej. se sumerge, por lo que el ángulo de contacto es inferior a 90 grados), entonces el término cos theta es positivo, en cuyo caso la relación daría como resultado una tensión superficial sólida líquida negativa !
Lo que esto significa, esencialmente, es que el líquido se adhiere a las paredes del contenedor y está trabajando para maximizar el área en contacto con la superficie sólida, a fin de minimizar la energía potencial general.
Capilaridad
Otro efecto relacionado con el agua en los tubos verticales es la propiedad de la capilaridad, en la cual la superficie del líquido se eleva o deprime dentro del tubo en relación con el líquido circundante. Esto también está relacionado con el ángulo de contacto observado.
Si tiene un líquido en un recipiente, y colocar un tubo estrecho (o capilar ) de radio r en el contenedor, El desplazamiento vertical y que tendrá lugar dentro del capilar viene dado por la siguiente ecuación:
y = (2 gamma lg cos theta ) / ( dgr 1
donde
- y es el desplazamiento vertical (arriba si es positivo, abajo si es negativo)
- gamma lg es la tensión superficial del gas líquido
- theta es el ángulo de contacto
- d es la densidad del líquido
- g es la aceleración de la gravedad
- r es el radio del capilar
NOTA: Una vez más, si theta es mayor de 90 grados (un menisco convexo), lo que resulta en una tensión superficial líquida-sólida negativa, el nivel líquido disminuirá en comparación con el nivel circundante, en lugar de aumentar en relación con él.
La capilaridad se manifiesta de muchas maneras en el mundo cotidiano. Las toallas de papel se absorben a través de la capilaridad. Al quemar una vela, la cera derretida se eleva debido a la capilaridad. En biología, aunque la sangre se bombea por todo el cuerpo, es este proceso el que distribuye la sangre en los vasos sanguíneos más pequeños que se denominan, apropiadamente, capilares .
Cuartos en un vaso lleno de agua
Materiales necesarios:
- 10 a 12 cuartos
- vaso lleno de agua
Lentamente, y con la mano firme, lleve los cuartos uno a la vez al centro del cristal. Coloque el borde estrecho del cuarto en el agua y déjelo ir. (Esto minimiza la interrupción de la superficie y evita formar ondas innecesarias que pueden causar un desbordamiento.)
A medida que continúe con más cuartos, se sorprenderá de lo convexo que se vuelve el agua sobre el vidrio sin desbordarse!
Variante posible: Realice este experimento con gafas idénticas, pero use diferentes tipos de monedas en cada vaso. Use los resultados de cuántos pueden ingresar para determinar una proporción de los volúmenes de diferentes monedas.
Aguja flotante
Materiales necesarios:
- tenedor (variante 1)
- trozo de papel de seda (variante 2)
- aguja de coser
- vaso lleno de agua
Variante 1 Truco
Coloque la aguja en la horquilla, bajando suavemente en el vaso de agua. Saque cuidadosamente el tenedor y es posible dejar la aguja flotando en la superficie del agua.
Este truco requiere una mano firme real y algo de práctica, porque debe quitar la horquilla de tal manera que las partes de la aguja no se mojen … o la aguja se hundirá . Puede frotar la aguja entre los dedos de antemano a & amp; quot; oil & amp; quot; aumenta sus posibilidades de éxito.
Variante 2 Truco
Coloque la aguja de coser en un pequeño trozo de papel de seda (lo suficientemente grande como para sostener la aguja). La aguja se coloca sobre el papel de seda. El papel de seda se empapará con agua y se hundirá en el fondo del vidrio, dejando la aguja flotando en la superficie.
Ponga la vela con una burbuja de jabón
por la tensión superficial
Materiales necesarios:
- vela encendida ( NOTA: No juegues con partidos sin la aprobación y supervisión de los padres!)
- embudo
- detergente o solución de chubasco
Coloque el pulgar sobre el extremo pequeño del embudo. Cuidadosamente tráelo hacia la vela. Retire el pulgar y la tensión superficial de la burbuja de jabón hará que se contraiga, forzando el aire a través del embudo. El aire forzado por la burbuja debería ser suficiente para apagar la vela.
Para un experimento algo relacionado, vea el Rocket Balloon.
Papel de pescado motorizado
Materiales necesarios:
- trozo de papel
- tijeras
- aceite vegetal o detergente líquido para lavavajillas
- un tazón grande o una bandeja para pastel de pan llena de agua
este ejemplo
Una vez que tenga su patrón de Paper Fish cortado, colóquelo en el recipiente de agua para que flote en la superficie. Ponga una gota de aceite o detergente en el agujero en el medio del pescado.
El detergente o el aceite harán que la tensión superficial en ese agujero disminuya. Esto hará que los peces se impulsen hacia adelante, dejando un rastro del aceite a medida que se mueve a través del agua, sin detenerse hasta que el aceite haya bajado la tensión superficial de todo el cuenco.
La siguiente tabla muestra los valores de tensión superficial obtenidos para diferentes líquidos a varias temperaturas.
Valores experimentales de tensión superficial
Líquido en contacto con el aire
Temperatura (grados C)
Tensión superficial (mN / m, o dyn / cm)
Benceno
20)
28,9
Tetracloruro de carbono
20)
26,8
Etanol
20)
22,3
Glicerina
20)
63,1
Mercurio
20)
465,0
Aceite de oliva
20)
32,0
Solución de jabón
20)
25.0
Agua
0
75,6
Agua
20)
72,8
Agua
60)
66,2
Agua
100)
58,9
Oxígeno
-193
15.7
Neón
-247
5.15
Helio
-269
0.12
Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph.D .
& amp; # x203A; Ciencias
