La tensión superficial es un fenómeno en el que la superficie de un líquido, donde el líquido está en contacto con un gas, actúa como una fina lámina elástica. Este término se usa típicamente solo cuando la superficie del líquido está en contacto con gas (como el aire). Si la superficie está entre dos líquidos (como agua y aceite), se denomina «tensión de interfaz».
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 son arrastradas hacia el resto del líquido, como se muestra en la imagen de la derecha.
La tensión superficial (denotada con la variable griega gamma ) se define como la relación entre la fuerza superficial F y la longitud d a lo largo de la cual actúa la fuerza:
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 (dina 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 J / m 2 (julios por metro cuadrado). La unidad cgs es erg / cm 2.
Estas fuerzas unen las partículas de la superficie. Aunque esta unión es débil, después de todo es bastante fácil romper la superficie de un líquido, se manifiesta de muchas maneras.
Ejemplos de tensión superficial
Gotas de agua. Cuando se usa un gotero, el agua no fluye en una corriente continua, sino en una serie de gotas. La forma de las gotas se debe a la tensión superficial del agua. La única razón por la que la gota de agua no es completamente esférica es que la fuerza de la gravedad la empuja hacia abajo. En ausencia de gravedad, la gota 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 zancudo acuático. Sus patas están formadas 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 caminante pueda moverse por la superficie del agua sin romper la superficie. Esto es similar en concepto a usar raquetas de nieve para caminar sobre ventisqueros profundos sin que sus pies se hundan.
Aguja (o clip) flotando en el agua. Aunque la densidad de estos objetos es mayor que la del agua, la tensión superficial a lo largo de la depresión es suficiente para contrarrestar la fuerza de gravedad que empuja hacia abajo el objeto metálico. Haga clic en la imagen de la derecha, luego haga clic en «Siguiente» para ver un diagrama de fuerza de esta situación o pruebe el truco de la aguja flotante por sí mismo.
Anatomía de una burbuja de jabón
Cuando soplas una pompa de jabón, estás creando una burbuja de aire presurizado 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 generalmente se usa jabón en el proceso… estabiliza la tensión superficial a través de algo llamado efecto Marangoni.
Cuando se sopla la burbuja, la película de la superficie tiende a contraerse. Esto hace que aumente la presión dentro de la burbuja. El tamaño de la burbuja se estabiliza a un tamaño en el que el gas dentro de la burbuja no se contrae más, al menos sin hacer estallar la burbuja.
De hecho, hay dos interfaces líquido-gas 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 fina película de líquido.
La forma esférica de una pompa de jabón se debe a la minimización del área de la 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, alrededor de 25 dyn / cm).
Comenzamos asumiendo que no hay presión externa (lo cual, por supuesto, no es cierto, pero nos ocuparemos de eso en un momento). Luego, considere una sección transversal a través del centro de la burbuja.
A lo largo de esta sección transversal, haciendo caso omiso de la muy ligera diferencia en el radio interior y exterior, sabemos la circunferencia será de 2 pi R . Cada superficie interior y exterior tendrá una presión de gamma a lo largo de toda la longitud, por lo que el total. La fuerza total de la tensión superficial (de la película interna y 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 ( pi R 2 ).
Dado que la burbuja es estable, la suma de estas fuerzas debe ser cero, por lo que obtenemos: 2
gamma (2 pi R ) = p ( pi R 2 )
o
p = 4 gamma / R
Obviamente, este fue un análisis simplificado donde la presión fuera de la burbuja era 0, pero esto se expande fácilmente para obtener la diferencia entre la presión interior py la presión exterior p e :
p – p e = 4 gamma / R
Presión en una gota de líquido
Analizar una gota de líquido, a diferencia de una pompa de jabón , es más sencillo. En lugar de dos superficies, solo hay que considerar la superficie exterior, por lo que un factor de 2 cae de la ecuación anterior (¿recuerdas dónde duplicamos la tensión superficial para tener en cuenta dos superficies?) Para producir:
p – p e = 2 zamma / 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. Esta forma de superficie cóncava o convexa se conoce como menisco.
El ángulo de contacto, theta , se determina como se muestra en la imagen de la derecha.
El ángulo de contacto se puede utilizar para determinar una relación entre la tensión superficial líquido-sólido y la tensión superficial líquido-gas, de la siguiente manera:
gamma ls = – gamma lg cos theta
donde
- gamma ls es la tensión superficial líquido-sólido
- gamma lg es la tensión superficial líquido-gas
- theta es el ángulo de contacto
Una cosa a considerar en esta ecuación es que en los casos donde el menisco es convexo (es decir, el ángulo de contacto es mayor de 90 grados), el componente coseno de esta ecuación será negativo, lo que significa que la tensión superficial líquido-sólido será positiva.
Si, por otro lado, el menisco es cóncavo (es decir, se hunde, por lo que el ángulo de contacto es menor de 90 grados), entonces el término cos theta es positivo, en cuyo caso la relación resultaría en una tensión superficial líquido-sólido negativa. !
Lo que esto significa, esencialmente, es que el líquido se adhiere a las paredes del recipiente y está trabajando para maximizar el área en contacto con la superficie sólida, a fin de minimizar la energía potencial total.
Proceso de capilar
Otro efecto relacionado con el agua en los tubos verticales es la propiedad de capilaridad, en la que 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 coloca un tubo estrecho (o capilar ) de radio r en el recipiente, el desplazamiento vertical y que tendrá lugar dentro del capilar viene dado por la siguiente ecuación:
y = (2 gamma lg cos theta ) / ( dgr )
donde
- y es el desplazamiento vertical (hacia arriba si es positivo, hacia abajo si es negativo)
- gamma lg es la tensión superficial líquido-gas
- 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 superior a 90 grados (un menisco convexo), lo que da como resultado una tensión superficial líquido-sólido negativa, el nivel del líquido descenderá en comparación con el nivel circundante, en lugar de aumentar en relación con él.
La capilaridad se manifiesta de muchas formas en el mundo cotidiano. Las toallas de papel absorben por capilaridad. Al encender una vela, la cera derretida sube por la mecha 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 de agua lleno
Materiales necesarios:
- 10 a 12 trimestres
- vaso lleno de agua
Lentamente y con mano firme, lleve los cuartos uno por uno al centro del vaso. Coloque el borde estrecho de la moneda en el agua y suéltelo. (Esto minimiza la interrupción de la superficie y evita la formación de ondas innecesarias que pueden causar desbordes).
A medida que continúe con más cuartos, se sorprenderá de lo convexa que se vuelve el agua en la parte superior del vaso sin desbordarse.
Variante posible: realice este experimento con vasos idénticos, pero utilice diferentes tipos de monedas en cada vaso. Utilice los resultados de cuántos pueden entrar para determinar una proporción de los volúmenes de diferentes monedas.
Aguja flotante
Materiales necesarios:
- horquilla (variante 1)
- pedazo de papel de seda (variante 2)
- aguja de coser
- vaso lleno de agua
Truco de la variante 1
Coloque la aguja en el tenedor, bajándola suavemente en el vaso de agua. Saque con cuidado el tenedor y es posible dejar la aguja flotando en la superficie del agua.
Este truco requiere una mano firme y algo de práctica, porque debes quitar el tenedor de tal manera que partes de la aguja no se mojen … o la aguja se hundirá. Puede frotar la aguja entre los dedos de antemano para «engrasarla» y aumentar sus posibilidades de éxito.
Truco de la variante 2
Coloque la aguja de coser en un pequeño trozo de papel de seda (lo suficientemente grande para sostener la aguja). La aguja se coloca sobre el papel tisú. El papel de seda se empapará de agua y se hundirá hasta el fondo del vaso, dejando la aguja flotando en la superficie.
Apague una vela con una burbuja de jabón
por la tensión superficial
Materiales necesarios:
- Vela encendida ( NOTA: ¡No juegues con fósforos sin la aprobación y supervisión de los padres!)
- embudo
- detergente o solución de burbujas de jabón
Coloque su pulgar sobre el extremo pequeño del embudo. Con cuidado, llévelo hacia la vela. Quite el pulgar y la tensión superficial de la pompa de jabón hará que se contraiga, forzando el aire a salir a través del embudo. El aire expulsado por la burbuja debería ser suficiente para apagar la vela.
Para un experimento algo relacionado, vea el Globo cohete.
Pez de papel motorizado
Materiales necesarios:
- trozo de papel
- tijeras
- aceite vegetal o detergente líquido para lavavajillas
- un tazón grande o un molde para pasteles lleno de agua
este ejemplo
Una vez que haya recortado el patrón de pez de papel, 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 disminuya la tensión superficial en ese orificio. Esto hará que el pescado se impulse hacia adelante, dejando un rastro de aceite a medida que se mueve por el agua, sin detenerse hasta que el aceite haya bajado la tensión superficial de todo el recipiente.
La siguiente tabla muestra los valores de tensión superficial obtenidos para diferentes líquidos a diversas 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 |
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