Propiedades de los Fluidos: Tensin Superficial

Introduccin:

La propiedad por la cual la superficie de un lquido acta como una membrana estirada, se denomina Tensin Superficial.

La tensin superficial existe en la superficie de un lquido expuesto al aire es debido a la atraccin intermolecular que la masa del lquido ejerce sobre aquellas molculas situadas en la superficie.

Mientras que las molculas situadas en el interior de la masa lquida son atradas con fuerzas reales por las que las rodean, esto no sucede con la molcula de la capa superficial, pues estn expuestas a atracciones de parte del aire y del lquido considerado; estas atracciones son diferentes y no se equilibran, originando un estado de tensin en toda la superficie libre del lquido.

A la Tensin Superficial se deben diversos fenmenos tales como el exceso de presin, por encima de la atmosfera, creada dentro de gotas y burbujas, la transformacin de un chorro lquido en gotas, capilaridad, etc.

Objetivo:

1. Obtener experimentalmente, la relacin entre la tensin superficial vs. la temperatura del agua.1. Graficar la relacin tensin superficial vs temperatura del agua.

Fundamento TericoA nivel microscpico, la tensin superficial se debe a que lasfuerzas que afectan a cadamolculason diferentes en el interior del lquido y en la superficie. As, en el seno de un lquido cada molcula est sometida a fuerzas de atraccin que en promedio se anulan. Esto permite que la molcula tenga unaenergabastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del lquido. Rigurosamente, si en el exterior del lquido se tiene ungas, existir una mnima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia dedensidadesentre el lquido y el gas.Otra manera de verlo es que una molcula en contacto con su vecina est en un estado menor de energa que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las molculas interiores tienen todas las molculas vecinas que podran tener, pero las partculas del contorno tienen menos partculas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado ms alto de energa. Para el lquido, el disminuir su estado energtico es minimizar el nmero de partculas en su superficie Energticamente, las molculas situadas en la superficie tiene una mayor energa promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema ser disminuir la energa total, y ello se logra disminuyendo el nmero de molculas situadas en la superficie, de ah la reduccin de rea hasta el mnimo posible. Como resultado de minimizar la superficie, esta asumir la forma ms suave que pueda ya que est probado matemticamente que las superficies minimizan el rea por laecuacin de Euler-Lagrange. De esta forma el lquido intentar reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energa de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.La tensin superficial suele representarse mediante la letra griega(gamma), o mediante(sigma). Sus unidades son de Nm-1=Jm-2=Kg/s2(vaseanlisis dimensional).

Algunas propiedades de: > 0, ya que para aumentar el estado del lquido en contacto hace falta llevar ms molculas a la superficie, con lo cual disminuye la energa del sistema yes

o la cantidad de trabajo necesario para llevar una molcula a la superficie. depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, ser un lquido y un slido. As, la tensin superficial ser igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un slido, al cual podr mojar o no (vasecapilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del lquido) y las adhesivas (lquido-superficie). se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se mide en Nm-1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifsico confinado por un pistn mvil, en particular dos lquidos con distinta tensin superficial, como podra ser elaguay elhexano. En este caso el lquido con mayor tensin superficial (agua) tender a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensin superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistn desde el hexano hacia el agua. El valor dedepende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del lquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesin del lquido, mayor ser su tensin superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres lquidos:hhexano, aguaymercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipofuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrgeno, de mayor intensidad, y el mercurio est sometido alenlace metlico, la ms intensa de las tres. As, lade cada lquido crece del hexano al mercurio. Para un lquido dado, el valor dedisminuye con latemperatura, debido al aumento de la agitacin trmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor detiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperaturaTcdel compuesto. En este punto, el lquido es indistinguible del vapor, formndose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos.Equipo Utilizado

Balanza Electrnica,Cpsula de vidrio

Vernier

Termmetro

Gotero

Procedimiento de Laboratorio

Medimos el dimetro del orificio del gotero con ayuda del vernier. D=1.9mm

Registramos la temperatura del lquido en condicin de ambiente. Con el gotero agregamos 20 gotas dentro de la tara y obtenemos el peso.

Aumentamos la temperatura del agua y volvemos a registrar la nueva temperatura. Con el gotero volvemos a agregar 20 gotas agua con la nueva temperatura. Una vez registrado el nuevo peso del conjunto y por diferencia del peso anterior, determinamos el peso de una gota con la nueva temperatura. Repetimos el experimento con diferentes temperaturas.

Procedimiento de Laboratorio

Al tener el peso de las 20 gotas de agua podemos obtener el peso medio de una gota de agua (G), a este valor lo multiplicamos por la gravedad (g) para as obtener la fuerza (F). Finalmente haciendo uso de la frmula de tensin superficial , obtenemos el valor de la misma, este procedimiento se repite 5 veces ms pero con temperaturas distintas del agua.

Datos y su Presentacin

Tabla N1Registro de informacin del Laboratorio Tensin SuperficialN de EnsayoTemperatura CPeso de 20 gotas (gr)Peso de cada gota (gr)

1191.180.059

2401.160.058

3441.180.059

4481.060.053

5611.120.056

Dimetro del orificio del gotero: 1.9 mm

Clculos y Presentacin de Resultados:

Determinando la Tensin Superficial:

Tabla N2Resultado de los clculos del Laboratorio Tensin SuperficialN de EnsayoTemperatura CPeso de cada gota (gr)Tensin Superficial (N/m)

1190.0590.0970

2400.0580.0953

3440.0590.0970

4480.0530.0871

5610.0560.0920

Determinacin de errores:

1. T = 19C 150.0741 19 200.0736

2. T = 40C

3. T = 44C 400.0701 44 500.0682

4. T = 48C 400.0701 48 500.0682

5. T = 61C 600.0668 61 700.0650

Grfico

Conclusiones y Recomendaciones Segn la grfica obtenida de Tensin Superficial vs Temperatura y sin considerar los ensayos 3 y 4, podemos observar que con los primeros ensayos la relacin de la tensin superficial del agua con el cambio de temperatura es inversamente proporcional, dicha relacin no se mantuvo debido a que las gotas que salan del gotero no eran del mismo tamao y causaba un desequilibrio en el peso. Se observ que al incrementar la temperatura la tensin superficial disminuye debido a que la presin que se ejerce en las partculas de agua sometidas a temperaturas altas hace que disminuya el peso, y al disminuir la temperatura el peso aumenta. En la grfica no podemos apreciar muy bien ya que las gotas de agua son muy pequeas. Comparando los resultados con la tabla de propiedades del agua podemos obtenemos un error de 35% aproximadamente.

ANEXO

TENSION SUPERFICIAL APLICADA A LA INGENIERIAPresin de poros de agua

Tubo capilar de aguaSi no hubiera flujo de agua entre los poros, la presin de los poros de agua serahidrosttica. Latabla de aguao nivel fretico est situada a la profundidad donde la presin de agua es igual a la presin atmosfrica. Para condiciones hidrostticas, la presin de agua aumenta linealmente con la profundidad por debajo del fretico.

dondees la densidad del agua, yes la profundidad por debajo del nivel fretico.

Agua en los contactos de los granosDebido a latensin superficialel agua puede subir mediante los pequeos huecos que se producen en el suelo. De esta forma el agua puede ascender por encima de la tabla de agua por los pequeos poros entre las partculas de suelo. De hecho el suelo puede saturarse completamente por encima de la tabla de agua. Por encima de la altura de saturacin capilar, el contenido de agua en el suelo puede disminuir con la cota. Si el agua en la zona capilar no se est desplazando, la presin del agua obliga al equilibrio de la ecuacin hidrosttica,, sin embargoes negativa por encima del nivel fretico. Por tanto, las presiones hidrostticas del agua por encima del nivel fretico son negativas. El grosor de la zona de capilaridad depende del tamao de las partculas del suelo, pero generalmente, las alturas pueden variar entre centmetros (para un suelo arenoso) a decenas de metros (para un suelo arcilloso o limoso)