TENSION SUPERFICIAL

CAPITULO IV

TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD

4.1 TENSION SUPERFICIAL.

Si depositamos con cuidado sobre el agua una aguja de coser de acero engrasada, o cuando depositamos un clip sobre el agua éstos objetos puede flotar, formando en la superficie del agua una pequeña depresión y permanecen sin hundirse, aunque la densidad de la aguja y del clip puede llegar a ser hasta ocho veces mayor que la densidad del agua. Esta experiencia se muestra en la figura 4.1a y 4.1b.

Figura 4.1. Esfera de acero flotando en la superficie de agua.

Las fuerzas que soportan la aguja y el clip en dicha posición no son las fuerzas de flotación sino más bien son las fuerzas debidas a la tensión superficial (Fst).

Por otro lado cuando un tubo de vidrio limpio y de pequeño diámetro, se sumerge en agua, el agua ascenderá en el interior del tubo tal como se muestra en la figura 4.2a, pero si el tubo se le sumerge en mercurio, el mercurio desciende en el tubo como se muestra en la figura 4.2b. El ascenso o descenso se deben a la tensión superficial.

Figura 4.2. (a) Tubo de vidrio sumergido en agua; (b) Tubo de vidrio limpio sumergido en mercurio.

El fenómeno de tensión superficial también ha sido observado en la formación de gotas de agua en las hojas de una planta como se muestra en la figura 4.3a, así mismo gracias a éste fenómeno los insectos acuáticos pueden caminar sobre la superficie libre del agua como lo muestra la figura 4.3b

Figura 4.3. (a) Gotas de agua formadas sobre una planta; (b) insecto caminando sobre la superficie del agua.

Todos estos fenómenos y otros de naturaleza análoga muestran la existencia de una superficie límite entre un líquido y otra sustancia. Es decir la superficie de un líquido puede suponerse en un estado de tensión tal que si se considera cualquier línea situada sobre ella o limitándolo, la sustancia que se encuentra a un lado de dicha línea ejerce una tracción sobre la otra situada al otro lado. Esta tracción está en el plano de la superficie y es perpendicular a la línea. Este efecto puede demostrarse utilizando la teoría molecular (ver figura 4.4) es decir una molécula en el interior de un fluido está sometida a las fuerzas de atracción en todas las direcciones dando lugar a una resultante nula tal como puede verse en la molécula A; la molécula B que tiene más moléculas de líquido en la parte inferior de su esfera de acción experimenta una fuerza resultante hacia abajo. La molécula C soporta la acción de una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido, esta situación repetida a lo largo de toda la superficie del líquido produce la contracción de la superficie total del líquido como si se tratase de una membrana elástica. Esta tendencia contráctil produce el fenómeno de tensión superficial.

Figura 4.4 Descripción molecular de la tensión superficial.

4.2 ALGUNOS EXPERIMENTTOS QUE MUESTRAN EL FENÓMENO DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL.

Una forma experimental como puede mostrarse los fenómenos de la tensión superficial es considerar un anillo de alambre de algunos milímetros de diámetro en el cual se ha instalado un bucle de hilo tal como se muestra en la figura 4.5 a. Cuando el anillo y el bucle se colocan en una disolución jabonosa, al sacarlo de ella se forma una película delgada de líquido en la cual el bucle de hilo flota. Por otro lado si se pincha el interior del bucle de hilo, este toma una forma circular como se muestra en la figura 4.5b, como si las superficies del líquido tirasen radialmente hacia afuera en el sentido de las flechas.

Figura 4.5 (a) Anillo metálico con un bucle de hilo extraído de una solución jabonosa; (b) Anillo de alambre en el que se pincho el centro del bucle.

Debe observarse que antes de pinchar la lámina líquida a ambos lados del hilo actúan las mismas fuerzas de las manera que la resultante de las fuerzas es nula.

Otro equipo sencillo que muestra la existencia de la tensión superficial es el mostrado en la figura 4.6, consiste en un trozo de alambre doblado en forma de U y se utiliza un segundo alambre como deslizador. Cuando el sistema se introduce en una disolución jabonosa y posteriormente se saca de ella, el alambre, el alambre de longitud L, se desplaza rápidamente hacia arriba siempre que su peso W1, no sea demasiado grande, y para mantenerlo en equilibrio es necesario aplicar una segunda fuerza W2. Aunque parezca extraño la fuerza total F = W1 + W2, mantendrá el alambre en reposo, independientemente del área de la lámina líquida, siempre que la temperatura se mantenga constante.

Figura 4.6. Alambre en forma de U con un alambre móvil AB en equilibrio bajo la acción de la tensión superficial.

Aunque una película de agua jabonosa es muy delgada, su espesor es muy grande comparado con el diámetro molecular. Por lo tanto puede considerarse formada por un volumen de líquido limitado por dos capas superficiales cuyo espesor es de algunas moléculas. Cuando se tira hacia debajo de la varilla móvil y se aumenta el área de las láminas, hay moléculas situadas en el interior que se desplazan hacia las capas superficiales.

4.3 COEFICIENTE DE TENSIÓN SUPERFICIAL.

Otro dispositivo muy adecuado para poner de manifiesto los fenómenos interfasiales y para comenzar un estudio cuantitativo es el que se muestra en la figura 4.7, el cual consta de un alambre delgado en forma de U y sobre el cual puede deslizar sin rozamiento un alambre ligero móvil de longitud L, extraídos de una disolución jabonosa

Figura 4.7 Trabajo necesario para incrementar el área de la película jabonosa.

Para mantener el alambre móvil en equilibrio o para ampliar el área de la lámina es necesario aplicar una fuerza exterior Fex es decir para ampliar el área a temperatura constante es necesario realizar un trabajo, trabajo que resulta ser proporcional al incremento de área, siendo la constante de proporcionalidad el llamado coeficiente de tensión superficial, γ.

Entonces, el trabajo ΔU, necesario para aumentar el área de la superficie líquida en una cantidad ΔA, será

(4.1)

Donde, γs es el coeficiente

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