TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD

TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD OBJETIVO: “ Explicar el fenómeno de la capilaridad y reco-nocer su importancia, por ej., a nivel biológico”

TENSIÓN SUPERFICIAL AGUJA DE ACERO FLOTANDO EN LA SUPERFICIE DEL AGUA condición existente en la superficie libre de los líquidos que permite que dicha superficie se comporte como una especie de MEMBRANA elástica, capaz de sostener diversos cuerpos sólidos aÚn cuando su densidad sea mayor a la del líquido en cuestión. AGUJA DE ACERO FLOTANDO EN LA SUPERFICIE DEL AGUA “ZAPATERO DE AGUA” FLOTANDO EN LA SUPERFICIE DEL AGUA NM3

¿QUÉ FORMA ADOPTA EL AGUA EN LOS CONTORNOS DEL OBJETO? TENSIÓN SUPERFICIAL ¿QUÉ FORMA ADOPTA EL AGUA EN LOS CONTORNOS DEL OBJETO? NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL es el resultado de las fuerzas moleculares, que ejercen una atracción no compensada hacia el interior del líquido sobre las moléculas individuales de la superficie. OBSÉRVESE la considerable curvatura en los bordes donde el líquido está en contacto con la pared del recipiente. NM3

EXPLICACIÓN A NIVEL MICROSCÓPICO MOLECULAR TENSIÓN SUPERFICIAL EXPLICACIÓN A NIVEL MICROSCÓPICO MOLECULAR En el interior de un líquido la molécula ROJA es atraída por todas las que le rodean (fuerzas de cohesión). En (A): EFECTO NULO. En (B) (más cerca de la superf.): Las fuerzas que atraen a la molécula hacia abajo sólo son contrarrestadas por las fuerzas ejercidas por las moléculas superiores: FUERZA NETA F. En la superficie (C): Las fuerzas que la atraen hacia el interior del líquido, no pueden ser neutralizadas por moléculas superiores puesto que no existen. Resultado: FUERZA NETA F’, superior a la de la posición B. NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL: CONCLUSIÓN Las fuerzas de interacción, hacen que las moléculas del líquido situadas en las proximidades de la superficie libre experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del mismo. Entonces, como todo sistema mecánico, tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja energía potencial A ESTO SE DEBE QUE LOS LÍQUIDOS TIENDEN SIEMPRE A PRESENTAR LA MENOR SUPERFICIE LIBRE POSIBLE. LA GOTA ADOPTA LA FORMA ESFÉRICA PORQUE A ÉSTA, A IGUALDAD DE VOLUMEN, LE CORRESPONDE LA MÍNIMA SUPERFICIE. TAREA: DEMOSTRAR QUE PARA VOLÚMENES IGUALES, LA SUPERFICIE DE UN ESFERA ES MENOR QUE LA DE UN CUBO NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL: SÍNTESIS FUERZA EXISTENTE EN LA SUPERFICIE LIBRE DE LOS LÍQUIDOS SUPERFICIE LIBRE ACTÚA COMO PIEL ELÁSTICA: SOSTIENE CUERPOS DE MAYOR DENSIDAD QUE LA DEL LÍQUIDO. A MAYOR FUERZA DE ATRACCIÓN INTERMOLECULAR EN EL LÍQUIDO MAYOR TENSIÓN SUPERFICIAL. NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL: DEFINICIÓN 1 CANTIDAD DE ENERGÍA NECESARIA PARA AUMENTAR SUPERFICIE DEL LÍQUIDO POR UNIDAD DE ÁREA EL LÍQUIDO PRESENTA RESISTENCIA PARA AUMENTAR SU SUPERFICIE. LA FORMA ESFÉRICA DE LAS GOTAS DE LÍQUIDO ES LA FORMA QUE MINIMIZA SU ENERGÍA NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL: DEFINICIÓN 2 fuerza por unidad de longitud de cualquier línea recta de la superficie líquida que las capas superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una sobre otra; actuando como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido.  =F/2L  : Tensión Superficial Su Unidad es (N/m) NM3

MEDICIÓN DE LA T. S. DEL AGUA TENSIÓMETRO DE Du NoÜy: Un anillo de platino que se coloca sobre la superficie del agua. Se mide la fuerza que se requiere para separar el anillo de la superficie del agua con un dinamómetro de alta precisión. La T. S. alrededor del anillo es igual a la Fuerza ejercida para separarlo de la superficie del agua. Luego: NM3

VALORES DE TENSIÓN SUPERFICIAL LÍQUIDO  (N/m) Acetona, 20ºC 0,024 Éter Etílico, 20ºC 0,017 Aceite de Oliva 0,033 Glicerina 0,059 Agua, 25ºC 0,072 Etanol, 20ºC 0,022 Alcohol Etílico 0,023 Mercurio, 15ºC 0,487 Benceno 0,029 Petróleo 0,026 ORDENE LAS SUSTANCIAS DE MENOR A MAYOR TENSIÓN SUPERFICIAL EN GENERAL, EL VALOR DE LA T.S. DEPENDE DE LA TEMPERATURA DEL LÍQUIDO NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL: CUADRO COMPARATIVO NM3

T. S. DEL AGUA v/s TEMPERATURA A 0ºC : 0,076 (N/m) A 100ºC : 0,059(N/m) ¿Por qué para el lavado de ropa y la limpieza de objetos se recomienda usar agua tibia o caliente? Con el aumento de temperatura el agua se “ablanda”, pudiendo penetrar con mayor facilidad por los intersticios y porosidades de telas y materiales. NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL: PRESENCIA La tendencia de cualquier superficie líquida a hacerse lo más reducida posible como resultado de la Tensión Superficial da lugar a situaciones como: Cuando se deposita una cantidad pequeña de Mercurio sobre una superficie horizontal forma una esfera casi perfecta. La forma casi perfecta-mente esférica de una pompa de jabón se debe a la distribución de la tensión sobre la delgada película de jabón. Una gota de agua en el aire tiene una forma esférica si no sufre los efectos de resistencia producidos por el movimiento.  NM3

TENSIÓN SUPERFICIAL: PROPIEDADES TIENE EL MISMO VALOR EN TODAS DIRECCIONES SOBRE LA SUPERFICIE. ES INDEPENDIENTE DEL ESPESOR Y DE LA EXTENSIÓN DE LA MEMBRANA. EN LÍQUIDOS, DISMINUYE CON EL AUMENTO DE LA TEMPERATURA: LAS FUERZAS DE COHESIÓN DISMINUYEN AL AUMENTAR LA AGITACIÓN TÉRMICA HACE QUE LAS PELÍCULAS LÍQUIDAS TIENDAN A MINIMIZAR EL ÁREA DE LA SUPERFICIE LIBRE: ALCANZAN ENERGÍA SUPERFICIAL MÍNIMA Y LOGRAN EQUILIBRIO ESTABLE. EJ.: POMPAS DE JABÓN Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie del líquido tiene mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto, la tendencia del sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible. NM3

P=k2p rg TENSIÓN SUPERFICIAL: FORMACIÓN DE GOTAS El esquema representa la formación de una gota de agua en un tubo La gota se desprende del tubo en el instante en el que su peso P iguala a las fuerzas de tensión superficial que la sostiene y que actúan a lo largo de la circunferencia AB de contacto con el tubo. Debido a que la gota no se rompe justo en el extremo del tubo, sino más abajo en la línea A’B’ de menor diámetro y que no hay seguridad de que el líquido situado entre los niveles AB y A’B’ sea arrastrado por la gota, la fórmula a emplear es: P=k2p rg Siendo P el peso de la gota, y k un coeficiente de contracción que se ha de determinar experimentalmente. NM3

PRESENCIA DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL NM3

CAPILARIDAD Se produce por la diferencia de presiones entre el exterior (PA) y la presión en el capilar, además de un efecto eléctrico en la superficie de

ASCENSO DE LÍQUIDOS, EN FORMA ESPONTÁNEA, POR TUBOS CAPILARES CAPILARIDAD ASCENSO DE LÍQUIDOS, EN FORMA ESPONTÁNEA, POR TUBOS CAPILARES EXCEPCIÓN A LA LEY HIDROSTÁTICA DE LA PRESIÓN EN LÍQUIDOS EN REPOSO. NM3

CAPILARIDAD Propiedad de los líquidos que depende de su Tensión Superficial, la que a su vez, depende de la Fuerza de Cohesión del líquido y de las Fuerzas de Adhesión entre las moléculas del líquido y las de las paredes del tubo. Fuerza de Cohesión: FUERZA DE ATRACCIÓN ENTRE LAS MOLÉCULAS DE UNA MISMA SUSTANCIA Fuerza de ADhesión: FUERZA DE ATRACCIÓN ENTRE LAS MOLÉCULAS DE DIFERENTES SUSTANCIAS, EN CONTACTO. Ej. Moléculas de agua con moléculas de vidrio del recipiente que la contiene NM3

MENOR DIÁMETRO DEL TUBO CAPILAR MAYOR EFECTO DE LA CAPILARIDAD NM3

CAPILARIDAD LA SECUENCIA MUESTRA UN TUBO CAPILAR INTRODUCIÉNDOSE EN UN RECIPIENTE CON AGUA: En b): el agua inicialmente se adhiere al vidrio por ambas superficies. En c): la Tensión superficial hace que la película adherida al vidrio se contraiga, redondeando sus contornos. En d): la película de la superficie interior se contrae más, elevando el líquido hasta que su peso se equilibra con la fuerza de adhesión al vidrio: Agua que sube por un tubo más delgado tiene peso por lo que alcanza mayor altura. NM3

CAPILARIDAD La columna de agua en un tubo capilar se eleva hasta que la componente vertical de la tensión superficial se equilibra con el peso de la columna. NM3

CAPILARIDAD: LEY DE JURÍN La LEY DE JURÍN (1718) establece la altura máxima h que puede alcanzar la columna de líquido al equilibrar su propio peso con la fuerza de ascensión por Capilaridad La altura h, expresada en metros, de una columna líquida está dada por la ecuación: Donde: : Tensión Superficial : Ángulo de contacto g: Aceleración de Gravedad r: Radio del tubo capilar NM3

FUERZAS DE COHESIÓN v/s FUERZAS DE ADHESIÓN ¿CONDICIONES? SI: RESULTA: F. ADH > F.COH : LÍQUIDO MOJA EL VIDRIO Y ASCIENDE EN EL PUNTO DE CONTACTO F. ADH < F.COH : LÍQUIDO NO MOJA EL VIDRIO Y DESCIENDE EN EL PUNTO DE CONTACTO NM3

MENISCO CÓNCAVO / MENISCO CONVEXO Menisco: nombre que recibe la curva de la superficie libre de un líquido al interior de un tubo estrecho. A:MENISCO CÓNCAVO Se origina cuando las Fuerzas de Adhesión entre las moléculas del líquido y las paredes del tubo son mayores que las Fuerzas de Cohesión del líquido B:MENISCO CONVEXO Se origina cuando las Fuerzas de Cohesión entre las moléculas del líquido son mayores que las Fuerzas de Adhesión entre las del líquido y las paredes del tubo NM3

CASOS DE CAPILARIDAD: AGUA Y MERCURIO Las Fuerzas Adhesivas (Agua – Vidrio) son mayores que las Fuerzas Cohesivas entre las moléculas de Agua. Las Fuerzas Adhesivas (Agua – Vidrio) son menores que las Fuerzas Cohesivas entre las moléculas de Mercurio. NM3

ANGULO DE CONTACTO (): Permite cuantificar la capacidad de adhesión de una gota con una superficie sólida versus la capacidad de cohesión de las moléculas del líquido. Está formado por la tangente a la superficie del menisco (interfase líquido-gas) en el punto de contacto con la pared. Ángulo de contacto de tres líquidos diferentes sobre la superficie de un sólido. NM3

 90º: LA GOTA SE ESPARCE Y 90º≤  180º ÁNGULO DE CONTACTO MOJA AL SÓLIDO 90º≤  180º LA GOTA NO SE ESPARCE Y NO MOJA AL SÓLIDO NM3

ÁNGULO DE CONTACTO AL INTERIOR DE CAPILAR ANGULO DE CONTACTO (): Es el ángulo  formado por la tangente a la superficie del menisco (interfase líquido-gas) en el punto de contacto con la pared. Ángulo de Contacto  90º: El Líquido moja la superficie. Ej.: AGUA Ángulo de Contacto  90º: El Líquido no moja la superficie. Ej.: MERCURIO NM3

CAPILARIDAD Agregar flechas de atracción y repulsión. (dibujar fuerzas) NM3

CAPILARIDAD El peso de la columna líquida es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo, por lo que un tubo angosto succionará el líquido en una longitud mayor que un tubo ancho. Cuanto más pequeño es el diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada: - Diámetro del tubo de vidrio: 0,1 mm, la columna se eleva 30 cm. Dos placas de vidrio que están separadas por una película de agua de 1 (µm) de espesor, se mantienen unidas por una presión de succión de 1,5 (atm). Por ello se rompen los portaobjetos humedecidos al intentar separarlos. NM3

CAPILARIDAD en lOs vegetales Los vegetales poseen un sistema vascular de capilares micrométricos que es el encargado del transporte de agua y nutrientes de la raíz hasta las hojas. Los capilares están interconectados, lateral y axialmente, por orificios que poseen en su interior una membrana conformada por una red de micro fibras elásticas que actúan como una válvula capilar. NM3

CAPILARIDAD en SISTEMA CIRCULATORIO El sistema circulatorio de nuestros cuerpos contiene unos diez mil millones de capilares que se entrelazan por todos los tejidos del cuerpo, suministrando sangre a todas las células. Son los vasos sanguíneos más pequeños, de tamaño microscópico, y contienen menos del cinco por ciento del volumen total de la sangre que circula. NM3

CAPILARIDAD en OBJETOS TECNOLÓGICOS Capilaridad en muros. Capilaridad en mecheros. Capilaridad en esponjas. Capilaridad en tiras de papel NM3