¿Qué es la tensión superficial? Definición y experimentos

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 delgada lámina elástica. Este término generalmente se usa solo cuando la superficie del líquido está en contacto con el gas (como el aire). Si la superficie está entre dos líquidos (como agua y aceite), se llama "tensión de interfaz".

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.

Tensión superficial (denotada con la variable griega gama) se define como la relación de la fuerza superficial F a lo largo re a lo largo de la cual actúa la fuerza:

gama = F / re

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

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.

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 no es completamente esférica es porque la fuerza de la 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 zancudo. Sus piernas se forman para distribuir su peso, lo que hace que la superficie del líquido se deprima, minimizando el potencial energía para crear un equilibrio de fuerzas para que el caminante pueda moverse a través de la superficie del agua sin romper el superficie. Esto es similar en concepto al uso de raquetas de nieve para caminar a través de profundos ventisqueros sin hundir los pies.

Aguja (o clip) flotando en 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 empuja el objeto metálico. Haga clic en la imagen a la derecha, luego haga clic en "Siguiente" para ver un diagrama de fuerza de esta situación o pruebe el truco de la aguja flotante.

Cuando sopla una burbuja de jabón, está creando una burbuja de aire a presión 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 superficial tiende a contraerse. Esto hace que aumente la presión dentro de la burbuja. El tamaño de la burbuja se estabiliza en un tamaño en el que el gas dentro de la burbuja no se contraerá más, al menos sin reventar la burbuja.

De hecho, hay dos interfaces de líquido-gas en una burbuja de jabón: la que está dentro de la burbuja y la que está afuera. Entre las dos superficies hay un película delgada de líquido

La forma esférica de una burbuja de jabón es causada por la minimización del área de la superficie: para un volumen dado, una esfera es siempre la forma que tiene la menor área de superficie.

Para considerar la presión dentro de la burbuja de jabón, consideramos el radio R de la burbuja y también la tensión superficial, gama, 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 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 muy leve diferencia en el radio interno y externo, sabemos que la circunferencia será 2PiR. Cada superficie interna y externa tendrá una presión de gama 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, 2gama (2pi R).

Dentro de la burbuja, sin embargo, tenemos una presión pag que actúa sobre toda la sección transversal pi R², lo que resulta en una fuerza total de pag(pi R²).

Como la burbuja es estable, la suma de estas fuerzas debe ser cero, por lo que obtenemos:

2 gama (2 pi R) = pag( pi R²)
o
pag = 4 gama / R

Obviamente, este fue un análisis simplificado donde la presión fuera de la burbuja era 0, pero esto se expande fácilmente para obtener el diferencia entre la presión interior pag y la presión exterior pag_mi:

pag - pag_mi = 4 gama / R

Analizando una gota de líquido, en lugar de una burbuja de jabónes 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 (¿recuerda dónde duplicamos la tensión superficial para tener en cuenta dos superficies?) para rendimiento:

pag - pag_mi = 2 gama / R

La tensión superficial ocurre durante una interfaz gas-líquido, pero si esa interfaz entra en contacto con un superficie sólida, como las paredes de un contenedor, la interfaz generalmente se curva hacia arriba o hacia abajo cerca de ese 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 de la derecha.

El ángulo de contacto se puede usar para determinar una relación entre la tensión superficial líquido-sólido y la tensión superficial líquido-gas, de la siguiente manera:

gama_ls = - gama_lg cos theta

dónde

• gama_ls es la tensión superficial líquido-sólido
• gama_lg es la tensión superficial líquido-gas
• theta es el ángulo de contacto

Una cosa a tener en cuenta en esta ecuación es que en los casos en que el menisco es convexo (es decir, el ángulo de contacto es mayor que 90 grados), el componente coseno de esta ecuación será negativo, lo que significa que la tensión superficial líquido-sólido será positivo.

Si, por otro lado, el menisco es cóncavo (es decir, se inclina hacia abajo, por lo que el ángulo de contacto es inferior a 90 grados), entonces el cos theta el término es positivo, en cuyo caso la relación resultaría en un negativo tensión superficial líquido-sólido!

Lo que esto significa, esencialmente, es que el líquido se adhiere a las paredes del recipiente y es trabajando para maximizar el área en contacto con una superficie sólida, a fin de minimizar el potencial general energía.

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 coloque 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 gama_lg cos theta) / ( dgr)

dónde

• y es el desplazamiento vertical (arriba si es positivo, abajo si es negativo)
• gama_lg es la tensión superficial líquido-gas
• theta es el ángulo de contacto
• re es la densidad del líquido
• sol 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 del líquido disminuirá en comparación con el nivel circundante, en lugar de aumentar en relación con eso.

La capilaridad se manifiesta de muchas maneras en el mundo cotidiano. Las toallas de papel se absorben por capilaridad. Al quemar 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 llaman, apropiadamente, capilares.

Materiales necesarios:

• 10 a 12 trimestres
• vaso lleno de agua

Lentamente, y con mano firme, lleve los cuartos uno a la vez al centro del vaso. Coloque el borde estrecho del cuarto en el agua y suéltelo. (Esto minimiza la interrupción de la superficie y evita la formación de ondas innecesarias que pueden causar desbordamiento).

A medida que continúe con más cuartos, se sorprenderá de lo convexo que se vuelve el agua sobre el vaso sin desbordarse.

Variante posible: Realice este experimento con vasos idénticos, 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.

Materiales necesarios:

• horquilla (variante 1)
• pedazo de papel de seda (variante 2)
• aguja de coser
• vaso lleno de agua

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 realmente firme y algo de práctica, porque debes quitar el tenedor de tal manera que las partes de la aguja no se mojen... o la aguja será lavabo. Puede frotar la aguja entre los dedos de antemano para "engrasarla" y aumentar sus posibilidades de éxito.

Truco variante 2

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 de agua y se hundirá hasta el fondo del vaso, dejando la aguja flotando en la superficie.

Materiales necesarios:

• vela encendida (NOTA: ¡No juegues con partidos sin la aprobación y supervisión de tus padres!)
• embudo
• solución de detergente o burbuja de jabón

Coloque su pulgar sobre el extremo pequeño del embudo. Cuidadosamente llévelo hacia la vela. Retire el pulgar y la tensión superficial de la burbuja 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.

Materiales necesarios:

• trozo de papel
• tijeras
• aceite vegetal o detergente líquido para lavavajillas
• un tazón grande o molde para pastel lleno de agua

Una vez que haya cortado el patrón de Paper Fish, colóquelo en el recipiente de agua para que flote en la superficie. Ponga una gota del aceite o detergente en el agujero en el medio del pescado.

El detergente o el aceite provocarán una caída de la tensión superficial en ese orificio. Esto hará que el pez se impulse hacia adelante, dejando un rastro del aceite a medida que se mueve a través del agua, sin detenerse hasta que el aceite haya disminuido la tensión superficial de todo el recipiente.

La siguiente tabla muestra los valores de la tensión superficial obtenida para diferentes líquidos a varias temperaturas.

Valores experimentales de tensión superficial

Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph. D.