Tensión superficial

Ejemplo de tensión superficial: una aguja de acero sobre un lí-quido.

En física se denomina tensión superficial de un líqui-do a la cantidad de energía necesaria para aumentar susuperficie por unidad de área.[1] Esta definición implicaque el líquido tiene una resistencia para aumentar su su-perficie. Este efecto permite a algunos insectos, con elzapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficialdel agua sin hundirse. La tensión superficial (una mani-festación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos),junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las su-perficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugara la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depre-sión de la superficie de un líquido en la zona de contactocon un sólido.Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerzaque actúa tangencialmente por unidad de longitud en elborde de una superficie libre de un líquido en equilibrio yque tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesi-vas entre las moléculas de un líquido son las responsablesdel fenómeno conocido como tensión superficial.

1 Causa

La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afec-tan a cada molécula son diferentes en el interior del lí-quido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido ca-da molécula está sometida a fuerzas de atracción que enpromedio se anulan. Esto permite que la molécula tengauna energía bastante baja. Sin embargo, en la superficiehay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosa-mente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existiráuna mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque enla realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran

Diagrama de fuerzas entre dos moléculas de un líquido.

diferencia de densidades entre el líquido y gas.Otra manera de verlo es que una molécula en contactocon su vecina está en un estado menor de energía que sino estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculasinteriores tienen todas las moléculas vecinas que podríantener, pero las partículas del contorno tienen menos partí-culas vecinas que las interiores y por eso tienen un estadomás alto de energía. Para el líquido, el disminuir su esta-do energético es minimizar el número de partículas en susuperficie.[2]

Energéticamente, las moléculas situadas en la superficietiene una mayor energía promedio que las situadas en elinterior, por lo tanto la tendencia del sistema será dis-minuir la energía total, y ello se logra disminuyendo elnúmero de moléculas situadas en la superficie, de ahí lareducción de área hasta el mínimo posible.Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirála forma más suave que pueda ya que está probado ma-temáticamente que las superficies minimizan el área porla ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquidointentará reducir cualquier curvatura en su superficie pa-ra disminuir su estado de energía de la misma forma queuna pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravi-tacional.

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2 3 MEDIDA DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL

Este clip está debajo del nivel del agua, que ha aumentado lige-ramente. La tensión superficial evita que el clip se sumerja y queel vaso rebose.

2 Propiedades

La tensión superficial puede afectar a objetos de mayor tamañoimpidiendo, por ejemplo, el hundimiento de una flor.

La tensión superficial suele representarse mediante la le-tra griega γ (gamma), o mediante σ (sigma). Sus unidadesson de N·m−1, J·m−2, kg·s−2 o dyn·cm−1 (véase análisis di-mensional).Algunas propiedades de γ :

• γ > 0, ya que para aumentar el estado del líquido en

contacto hace falta llevar más moléculas a la super-ficie, con lo cual disminuye la energía del sistema yγ es

o la cantidad de trabajo necesario para llevaruna molécula a la superficie.

• γ depende de la naturaleza de las dos fases puestas encontacto que, en general, será un líquido y un sólido.Así, la tensión superficial será igual por ejemplo paraagua en contacto con su vapor, agua en contacto conun gas inerte o agua en contacto con un sólido, alcual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido alas diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro dellíquido) y las adhesivas (líquido-superficie).

• γ se puede interpretar como un fuerza por unidad delongitud (se mide en N·m−1). Esto puede ilustrarseconsiderando un sistema bifásico confinado por unpistón móvil, en particular dos líquidos con distin-ta tensión superficial, como podría ser el agua y elhexano. En este caso el líquido con mayor tensiónsuperficial (agua) tenderá a disminuir su superficie acosta de aumentar la del hexano, de menor tensiónsuperficial, lo cual se traduce en una fuerza neta quemueve el pistón desde el hexano hacia el agua.

• El valor de γ depende de la magnitud de las fuer-zas intermoleculares en el seno del líquido. De estaforma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesióndel líquido, mayor será su tensión superficial. Pode-mos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos:hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, lasfuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Vander Waals. El agua, aparte de la de Van der Waalstiene interacciones de puente de hidrógeno, de ma-yor intensidad, y el mercurio está sometido al enlacemetálico, la más intensa de las tres. Así, la γ de cadalíquido crece del hexano al mercurio.

• Para un líquido dado, el valor de γ disminuye con latemperatura, debido al aumento de la agitación tér-mica, lo que redunda en una menor intensidad efec-tiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de γ

tiende a cero conforme la temperatura se aproximaa la temperatura crítica T del compuesto. En estepunto, el líquido es indistinguible del vapor, formán-dose una fase continua donde no existe una super-ficie definida entre ambos, desapareciendo las dosfases. Al haber solamente una fase, la tensión super-ficial vale 0.

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Tensiómetro portátil de presión de burbuja para la medición dela tensión superficial.

3 Medida de la tensión superficial

3.1 Métodos estáticos: la superficie semantiene con el tiempo

1) Método del anillo de Noüy: Calcula la F necesaria pa-ra separar de la superficie del líquido un anillo. F= γ 4πR(siendo R el promedio del radio externo e interno del ani-llo.2) Método del platillo de Wilhelmy: Medida de la F pa-ra separar la superficie de una delgada placa de vidrio.Precisión de 0,1 %.

3.2 Métodos dinámicos: la superficie seforma o renueva continuamente

1) Tensiómetro (Método de presión de burbuja): En unlíquido a T cte se introduce un capilar de radio R conec-tado a un manómetro. Al introducir gas se va formandouna burbuja de radio r a medida que aumenta la P en elmanómetro. Al crecer r disminuye hasta un mínimo, r=Ry después vuelve a aumentar. Esto hace posible su usoen ambos, laboratorios de investigación y desarrollo, asícomo monitoreo del proceso directamente en la planta.También se puede medir con un estalagmómetro.

4 Ecuaciones

Ecuaciones empíricas que se ajustan a las medidas de γ adistintas T.Ecuación de Eötvös: γ = k/Vm2/3 (Tc-T) k= 2.1 erg/KEcuación de Van der Waals: γ = γ 0(1-T/Tc)n; n=11/9(liq)=8 (H2O)=1 (metales líquidos)Para un líquido en equilibrio con su vapor dG= -SdT+VdP+ γ dA suponiendo el sistema cerrado con

minimumpressure

maximumpressure

air

burstbubble

h

rB > rKap rB = rKap

rB > rKap

p(t)

pmax

pmin

ph

tlife tdead

surface tensionσ = k • (pmax -pmin)

t

Método de presión de burbuja para la medición de la tensiónsuperficial dinámica.

dn=0. Según la condición de equilibrio termodinámicose cumple que: γ = (dG/dA)>0. De esta ecuación saca-mos que la energía libre de Gibbs disminuye al disminuirel área superficial de un sistema, tratándose este procesode un proceso espontáneo.

5 Valores para diferentes materia-les

Tabla de tensiones superficiales de líquidos a 20 °C:

6 Véase también

• Capilaridad

• Energía superficial

• Ángulo de contacto

• Tensoactivo

7 Referencias

[1] Alejandro Martínez U. - Ricardo Ortega P.

[2] White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. vanNostrand. ISBN 0442294018.

8 Bibliografía

• Castellan, Gilbert W., Fisicoquímica, Ed. Pearson,pág. 433, tema 18, Fenómenos superficiales.

4 9 ENLACES EXTERNOS

9 Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multi-media sobre Tensión superficialCommons.

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10 Texto e imágenes de origen, colaboradores y licencias

10.1 Texto• Tensión superficial Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_superficial?oldid=84177991 Colaboradores: Kronoss,

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