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Fuerzas de cohesión en líquidos

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Presentación del tema: "Fuerzas de cohesión en líquidos"— Transcripción de la presentación:

1 Fuerzas de cohesión en líquidos

2 Tanto los gases como los líquidos son fluidos, pero los líquidos tienen una propiedad de la que carecen los gases: tienen una superficie "libre", o sea tienen una superficie cuya forma no está determinada por la forma del recipiente que lo contiene. Esa superficie se forma por una combinación de atracción gravitacional de la Tierra (fuerza peso) y de fuerzas entre las moléculas del líquido. Una consecuencia de eso es que en la superficie de los líquidos actúa una fuerza que no está presente en el interior de los líquidos (salvo que haya burbujas en el interior), por eso llamada "tensión superficial". Aunque relativamente pequeña, esta fuerza es determinante para muchos procesos biológicos, para la formación de burbujas, para la formación de olas pequeñas, etc.

3 LA COHESIÓN Se define como la fuerza de atracción entre partículas (como son las moléculas que forman los líquidos) de la misma clase. Si tenemos dos partículas de forma aislada como en la siguiente figura, cada una de ellas se verá afectada por una fuerza que tiende a juntarlas y aproximarlas entre sí.

4 LA ADHERENCIA La adherencia se define como la atracción mutua entre superficies de dos cuerpos puestos en contacto. Cerca de cuerpos sólidos tales como las paredes de una vasija, canal o cauce que lo contenga, la superficie libre del líquido cambia de curvatura de dos formas distintas a causa de la adherencia y cohesión

5 - Fuerzas de adhesión que unen las moléculas a la superficie.
La forma del menisco en la superficie de un líquido: » Si las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas de cohesión, la superficie del líquido es atraída hacia el centro del contenedor. Por ello, el menisco toma forma de U. » Si las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión, el menisco se curva hacia el exterior.

6 Tensión superficial Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que el líquido esté "cohesionado". Cuando hay una superficie, las moléculas que están justo debajo de la superficie sienten fuerzas hacia los lados, horizontalmente, y hacia abajo, pero no hacia arriba, porque no hay moléculas encima de la superficie. El resultado es que las moléculas que se encuentran en la superficie son atraídas hacia el interior de éste.

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8 Para algunos efectos, esta película de moléculas superficiales se comporta en forma similar a una membrana elástica tirante (la goma de un globo, por ejemplo). De este modo, es la tensión superficial la que cierra una gota y es capaz de sostenerla contra la gravedad mientras cuelga desde un gotario. Ella explica también la formación de burbujas.

9 Tensión superficial se expresa también como:
La energía necesaria para aumentar el área superficial de un líquido.  La superficie de un líquido se comporta como una membrana o barrera  Esto se debe a las desiguales fuerzas de atracción entre las moléculas y la superficie

10 La tensión superficial y la temperatura

11 La tensión superficial se define en general como la fuerza que hace la superficie (la "goma" que se menciona antes") dividida por la longitud del borde de esa superficie (OJO: no es fuerza dividida por el área de la superficie, sino dividida por la longitud del perímetro de esa superficie). Por ejemplo,

12 Formalmente donde F es la fuerza que debe hacerse para "sujetar" una superficie de ancho l. El factor 2 en la ecuación se debe a que una superficie tiene dos “áreas" (una por cada lado de la superficie), por lo que la tensión superficial actúa doblemente.

13 Algunos valores de la tensión superficial son:
Líquido Temperatura líquido (ºC) Petróleo 0,0289 Mercurio 20º 0,465 Agua 0,0756 0,0727 50º 0,0678 100º 0,0588

14 La siguiente figura muestra un ejemplo de cómo algunos animales utilizan la tensión superficial del agua.

15 En la figura se observa un arácnido, fotografiado mientras camina sobre el agua. Se observa que el peso del arácnido está distribuido entre sus ocho patas y el abdomen, por lo que la fuerza de sustentación que debe proveer la superficie del agua (la tensión superficial) sobre las ocho patas y el abdomen debe ser igual al peso del arácnido.

16 Con moléculas de otras sustancias puede haber atracción o repulsión
Con moléculas de otras sustancias puede haber atracción o repulsión. La dirección de resultante (sólido-líquido + líquido-líquido) hace que el líquido se eleve o hunda levemente muy cerca de paredes sólidas verticales, según haya atracción o repulsión. Para diferentes combinaciones de líquidos y sólidos se tabulan los ángulos de contacto. Angulos menores de 90º corresponden a atracción y mayores de 90º a repulsión. Esto también explica la formación de meniscos en tubos angostos y el ascenso o descenso de líquido por tubos capilares.

17 Ley de Laplace Establece la relación entre el tamaño de una cavidad y la diferencia de presiones entre sus paredes cerradas por la tensión de una membrana elástica o las dos películas líquidas en una burbuja

18 El modelo de membrana esférica es aplicable a cavidades del cuerpo (alvéolos pulmonares, ventrículos del corazón). Consiste en imaginar la membrana formada por dos hemisferios, cada uno de los cuales se encuentra en equilibrio bajo la acción de dos fuerzas contrarias.

19 1) La diferencia de presiones tiende a separar cada hemisferio del otro. Sobre cada porción de membrana la presión es perpendicular a ella, la fuerza resultante debería calcularse por descomposición de todas las contribuciones. Para este caso, resulta igual al producto de la diferencia de presiones por el área de la circunferencia que resulta al proyectar un hemisferio sobre un plano paralelo al que separa ambos hemisferios. Así, Fp = ( P)*(r2); donde (P) = (Pi - Po), Pi = presión interior, y Po = presión exterior.

20 2) Debido a la tensión de la membrana cada hemisferio se mantiene unido al otro. Dado que la membrana actúa como un todo, se considera sólo una vez la longitud de la zona de contacto entre ellos (perímetro de circunferencia). Así, la fuerza debido a la tensión superficial g es: Ft = (2r) . El resultado es (P)r = 2 . Si es constante, se requiere mayor presión para mantener hinchada una esfera pequeña.

21 Para el caso de los alvéolos, la presión externa P0 corresponde a la presión del líquido de la cavidad pleural. Durante la inspiración los alvéolos se hinchan, P0 disminuye y (P) aumenta. Al crecer tanto r como (P) los alvéolos explotarían si fuese constante. La tensión superficial se ajusta por la presencia de un líquido tensioactivo cuyas largas moléculas se separan. Durante la expiración r disminuye, P0 aumenta y ( P) disminuye por lo que los alvéolos tienden al colapso, entonces las moléculas del tensioactivo se alinean una al lado de la otra provocando el descenso necesario de la tensión superficial. Para una burbuja esférica, se deben considerar dos superficies. Por lo tanto, ( P) r = 4 .

22 Capilaridad: Cuando un tubo de vidrio muy estrecho (capilar) se introduce en un líquido, el nivel del menisco sube y a este efecto se le conoce como capilaridad.

23 Para fuerza vertical neta Far es la componente vertical de la tensión superficial

24 ¿Hasta donde puede subir el menisco?
Sube hasta que:

25 Presión de vapor Moléculas en estado vapor
Moléculas que pasan a vapor (se vaporizan) Moléculas que pasan al líquido (se condensan)

26 Cuando la velocidad de condensación se hace igual a la velocidad de vaporización, el líquido y el vapor están en un estado de equilibrio dinámico: La presión ejercida por el vapor se mantiene constante una vez alcanzado el equilibrio dinámico, y se conoce como presión de vapor de un líquido.  La presión de vapor de un líquido siempre aumenta al aumentar la temperatura. Pv

27 Ecuación de Clausius-Clapeyron Ln = - ( - ) P2 P1 1 T2 T1 ΔHvap
Ln P = -A ( ) + B 1 T (a) (b) (c) (d) (e) Ecuación de Clausius-Clapeyron Ln = ( ) P2 P1 1 T2 T1 ΔHvap


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