CAPILARIDAD

HABID E. SANTIAGO MÉNDEZ

JHONATAN CHAVARRO

LAURA QUIROGA QUIROZ

YASSIR DOMÍNGUEZ

PROFESORA:

ING. ANA GARRIDO

LABORATORIO MECÁNICA DE FLUIDOS

GRUPO AD

UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

20 DE MARZO DE 2013

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………..1

2. OBJETIVOS……………………………………………………….………2

3. MARCO TEÓRICO…………………………………………………..…..3

4. EQUIPO……………………………………………………………….….7

5. TRABAJO PRE LABORATORIO………………………………………8

6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO……………9

7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS…………….……14

8. ANÁLISIS DE RESULTADOS………………………………………19

9. GUÍA DE SÍNTESIS…………………………………………………..20

10. CONCLUSIONES………………………………………………….….23

BIBLIOGRAFÍA

1

1. INTRODUCCIÓN

Una de las ciencias básicas de la ingeniería es la Mecánica de Fluidos y se

ocupa particularmente del estudio del comportamiento de los fluidos, ya sea

que estos estén en reposo o en movimiento. En este sentido, para la

experiencia de laboratorio es necesario definir algunas de las propiedades

fundamentales de los fluidos líquidos como son la tensión superficial y la

capilaridad, cuyas bases teóricas se enuncian en el presente informe.

De igual forma, se hizo necesaria la fundamentación teórica sobre algunas de

las propiedades de los fluidos líquidos como la capilaridad y su comportamiento

en las sustancias ensayadas por lo cual se describe la incidencia de la

propiedad en el líquido y el comportamiento que éste presenta

experimentalmente; obteniendo entonces que corresponde a una propiedad de

los líquidos que depende de su tensión superficial y que le confiere la

capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.

En este orden de ideas se tiene que cuando un líquido sube por un tubo

capilar, es debido a que la fuerza intermolecular entre sus moléculas es menor

a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que

moja). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada

por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta

propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin

utilizar energía para vencer la gravedad.

2

2. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Precisar experimentalmente la capilaridad producida por varios fluidos líquidos

para tubos capilares de diámetros variados, bajo condiciones de presión

atmosférica y temperatura previamente concebidas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Describir el fenómeno de capilaridad para algunos fluidos líquidos.

Caracterizar e identificar la propiedad de la capilaridad y sus aplicaciones.

Identificar las fuerzas involucradas y su comportamiento en el fenómeno de

capilaridad como la cohesión y la adhesión.

3

3. MARCO TEÓRICO

La experiencia como tal se fundamenta en bases relacionadas con las

propiedades de los fluidos líquidos como la capilaridad y la tensión superficial,

su comportamiento y determinación mediante procedimientos experimentales

fundamentados en el análisis matemático.

CAPILARIDAD

Consiste en la capacidad que tiene una columna de un líquido para ascender y

descender en un medio poroso. Se evidencia claramente cuando se trabaja en

medios porosos con diámetros menores de .

La capilaridad está influenciada por la tensión superficial y depende de las

magnitudes relativas entre las fuerzas de cohesión del líquido y las fuerzas de

adhesión del líquido y las paredes del medio. En este orden de ideas la

capilaridad corresponde en síntesis al producto del acoplamiento de las fuerzas

que intervienen en un fluido líquido dispuesto en un recipiente. Las fuerzas que

intervienen corresponden a las fuerzas de cohesión, la tensión superficial y la

fuerza de adhesión.

FUERZA DE COHESIÓN

Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una

sustancia. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes

4

dentro de un mismo cuerpo. En el agua la fuerza de cohesión es elevada por

causa de los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua

fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un

líquido casi incompresible. De igual forma, se tiene que la fuerza de cohesión

se debe al intercambio de las moléculas de un fluido, caracterizado

precisamente, en que este intercambio tiene lugar desde la parte inferior hasta

la parte superior, que es donde se presentan las moléculas “solitarias” debido a

que en la superficie estas no encuentran con quien llevar a cabo el intercambio,

permitiendo generar una especie de capa o tensión a la cual se le conoce como

tensión superficial.

FUERZA DE ADHESIÓN

La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se juntan dos superficies

de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen

juntas debido a las fuerzas intermoleculares. De igual forma, esta propiedad es

muy importante en la industria de la construcción, aprovechada en la

resistencia y compactación de la mezclas de mampostería. Igualmente la

fuerza de adhesión se debe al grado de atracción ejercido por las moléculas del

fluido líquido con las moléculas que conforman las paredes del recipiente en el

cual está contenido.

TENSIÓN SUPERFICIAL

La tensión superficial es una fuerza que tiende a disminuir la superficie libre de

un líquido. Se trata de una fuerza dirigida hacia el seno del líquido desde su

superficie y se debe al desequilibrio de las fuerzas que actúan sobre las

moléculas de la superficie libre del líquido.

5

Una molécula del interior de un líquido está sometida a fuerzas de atracción por

parte de todas las moléculas del líquido que la rodean y, por lo tanto, se halla

en equilibrio, ya que es atraída con la misma fuerza en todas las direcciones.

Sin embargo, las moléculas de la superficie del líquido no son atraídas hacia

arriba y, por lo tanto, están sometidas a una fuerza dirigida perpendicularmente

a la superficie del líquido y hacia el interior del mismo. A esta fuerza se le

conoce como tensión superficial y es la causa de que el líquido se comporte

como si se hallase rodeado por una especie de membrana elástica. Igualmente

es gracias a la tensión superficial que existe el conocido menisco, formado

entre otras cosas por una capa de moléculas que tienen lugar debido a la

tensión.

Figura 1. Tensión superficial. A diferencia de lo que ocurre en el caso de las moléculas de líquido que se encuentran en el interior del mismo, las fuerzas que actúan sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido no están equilibradas. Éste es el origen de la tensión superficial.

6

De esta manera, la relación entre la tensión superficial y la capilaridad se aplica

mediante el ascenso capilar , y la cual se puede obtener mediante la

aplicación de la fórmula:

7

4. EQUIPO

Para la correcta realización de la experiencia se dispuso de los siguientes

equipos e instrumentos:

Tubos capilares de diámetros diversos.

Sustancias a ensayar (Agua, alcohol, cetona, mercurio).

Calibrador Pie de rey (Vernier).

Soporte universal

Termómetro.

Tubos de ensayo

Regla

8

5. TRABAJO PRE LABORATORIO

La experiencia de laboratorio sobre la capilaridad de los fluidos líquidos planteó

la necesidad de tener en cuenta los conceptos preliminares acerca del

comportamiento de los fluidos líquidos y de las propiedades físicas que

describen cuando son ensayados en el laboratorio, por lo cual se requirió de

una vasta fundamentación teórica acerca de las fuerzas que intervienen en un

líquido contenido en un recipiente sumado al comportamiento que éste

evidencia.

Igualmente, se debe disponer para la realización de la experiencia claridad

acerca de los registros de los datos a obtener, su organización y su previo

significado, con el fin único de contemplar exitosamente la práctica de

laboratorio y poder contrastar satisfactoriamente los resultados obtenidos.

Por último, el punto importante antes de realizar la experiencia supone la

disposición de los estudiantes y la previa concertación de los procedimientos a

emplear; añadiendo la disponibilidad de los equipos y de los instrumentos, la

guía del docente y la presencia de las sustancias a ensayar.

9

6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO

Para la realización de la experiencia de capilaridad se dispuso del siguiente

procedimiento en el laboratorio.

1) Cerciorarse de que los tubos capilares estén completamente limpios.

2) Depositar en el interior de beaker la sustancia a ensayar.

3) Insertar los tubos capilares en el seno del líquido hasta el nivel superior

completamente vertical.

4) Apreciar directamente el ascenso del líquido a través del tubo capilar, al

igual que la rapidez con la que éste lo hace.

5) Tomar las alturas alcanzadas por los distintos líquidos ensayados en los

tubos capilares.

6) Emplear el mismo procedimiento para cada sustancia, variando en cada

caso el diámetro del tubo capilar.

10

PROCEDIMIENTO MATEMÁTICO

El procedimiento matemático asociado a la experiencia de laboratorio sugiere

el uso de fórmulas establecidas para la determinación del grado de capilaridad

para las sustancias ensayadas, evidenciando su relación con la tensión

superficial.

Datos obtenidos a partir de la experiencia de laboratorio:

PROBETA (Ø int mm) (h)

SUSTANCIA 1 2 3 3.5 MENISCO TEMPERATURA

AGUA 15 5 3 1 CÓNCAVO

24 ALCOHOL 6 3 2 1 CÓNCAVO

ACETONA 3 2 2 1 CÓNCAVO

MERCURIO CONVEXO

Consideramos ahora los valores teóricos planteados para tensión superficial y

el peso específico de las sustancias ensayadas en el laboratorio.

SUSTANCIA TENSIÓN SUPERFICIAL

(10-3 N/m) PESO ESPECÍFICO ⁄

AGUA 72.8 9800

ALCOHOL 22.8 7938

ACETONA 23.7 7742

MERCURIO 0.484 133280

11

Una vez conocidos los valores teóricos para la tensión superficial de las

sustancias ensayadas podemos entonces proceder a calcular entonces el

ángulo de contacto haciendo uso de la fórmula para el cálculo de la capilaridad:

Para encontrar el ángulo de contacto despejamos de la ecuación:

12

Calculamos:

89.9710568

89.9807178

89.982646

89.99325122

89.970078

13

89.970078

89.970078

89.9825455

89.9859625

89.9812834

89.9719251

14

89.983623

123.4180558

133.5059383

128.285965

118.8096217

7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS

PROBETA (Ø int mm) (h)

SUSTANCIA 1 2 3 3.5 MENISCO TEMPERATURA

AGUA 15 5 3 1 CÓNCAVO

24 ALCOHOL 6 3 2 1 CÓNCAVO

ACETONA 3 2 2 1 CÓNCAVO

MERCURIO -8 - 5 -3 -2 CONVEXO

15

VALORES TEÓRICOS PARA LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL PESO

ESPECÍFICO

RESULTADOS

SUSTANCIA TENSIÓN

SUPERFICIAL (10-3 N/m) PESO ESPECÍFICO

AGUA 72.8 9800

ALCOHOL 22.8 7938

ACETONA 23.7 7742

MERCURIO 0.484 133280

PROBETA 1

SUSTANCIA peso específico

*diámetro*h 4*tensión superficial

Ɵ

AGUA 0.147 291.2 89.9710568

ALCOHOL 0.047628 91.2 89.970078

ACETONA 0.023226 94.8 89.9859625

MERCURIO -1.06624 1.936 123.4180558

PROBETA 2

SUSTANCIA peso específico *diámetro*h

4*tensión superficial

Ɵ

AGUA 0.098 291.2 89.9807178

ALCOHOL 0.047628 91.2 89.970078

ACETONA 0.030968 94.8 89.9812834

MERCURIO -1.3328 1.936 133.5059383

16

PROBETA 3

SUSTANCIA peso específico

*diámetro*h 4*tensión superficial

Ɵ

AGUA 0.0882 291.2 89.982646

ALCOHOL 0.047628 91.2 89.970078

ACETONA 0.046452 94.8 89.9719251

MERCURIO -1.19952 1.936 128.285965

PROBETA 4

SUSTANCIA peso específico

*diámetro*h 4*tensión superficial

Ɵ

AGUA 0.0343 291.2 89.932512

ALCOHOL 0.027783 91.2 89.9825455

ACETONA 0.027097 94.8 89.983623

MERCURIO -0.93296 1.936 118.8096217

17

GRÁFICAS

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0 0,001 0,002 0,003 0,004

Alt

ura

cap

ilar

(m)

Diámetro (m)

AGUA

Series1

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0 0,001 0,002 0,003 0,004

Alt

ura

cap

ilar

(m)

Diámetro (m)

ALCOHOL

Series1

18

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

0,003

0,0035

0 0,001 0,002 0,003 0,004

Alt

ura

cap

ilar

(m)

Diámetro (m)

ACETONA

Series1

-0,009

-0,008

-0,007

-0,006

-0,005

-0,004

-0,003

-0,002

-0,001

0

0 0,001 0,002 0,003 0,004

Alt

ura

cap

ilar

(m)

Diámetro (m)

MERCURIO

Series1

19

8. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Una vez realizada la experiencia de laboratorio acerca de la capilaridad de los

fluidos líquidos, se pudo apreciar claramente los efectos que esta produce;

evidenciada en el ascenso o en el descenso del líquido ensayado contenido en

un beaker y que asciende o desciende por las paredes de un tubo capilar de

diámetros variados.

Por otra parte una de las sustancias ensayadas fue el agua, cuya fuerza de

adherencia es mayor que la fuerza de cohesión, permitiendo de esta forma

que el líquido en su parte superior presente una curvatura hacia arriba y cuyo

valor del ángulo de contacto con las paredes del recipiente es posible calcularlo

mediante la aplicación de métodos analíticos que relacionan la tensión

superficial y el peso específico de las sustancias. En lo que respecta al

mercurio, la fuerza de adherencia es menor que la fuerza de cohesión, por lo

cual se aprecia claramente que este forma una curvatura hacia abajo.

Igualmente, en lo que respecta al ángulo de contacto se tiene que éste es

menor a 90º para cualquier sustancia en la que las fuerzas de adherencia sean

más fuertes que las fuerzas de cohesión como lo fue el caso del agua, el

alcohol y la acetona, caracterizados en la experiencia por presentar una

curvatura de tipo cóncava; contrariamente, si predominaran las fuerzas de

cohesión, dicho ángulo sería mayor a 90º y presentaría una curvatura convexa,

tal como se evidenció experimentalmente en el mercurio.

20

9. GUÍA DE SÍNTESIS

1) ¿Cuál de los líquidos ensayados asciende con mayor rapidez y por qué?

De los líquidos ensayados, el agua fue la sustancia que ascendió con mayor

rapidez debido a que las fuerzas de adhesión fueron mayores que la de

cohesión. Igualmente esta rapidez de ascenso de los líquidos a través del tubo

capilar depende de las fuerzas ejercidas por parte del líquido con respecto al

recipiente; adicionalmente, la capilaridad, está ligada a las fuerzas generadas

por la tensión superficial y también por la forma en la que de alguna u otra

forma se mojan las paredes del tubo capilar.

2) ¿Cuál de los líquidos ensayados alcanza mayor altura y por qué?

Igualmente, el líquido que registró una altura mayor de todas las sustancias

ensayadas fue el agua; hecho que es posible explicarlo mediante el análisis

matemático de la fórmula establecida para la determinación de la altura capilar,

en donde es posible apreciar la relación proporcional entre la tensión superficial

e inversamente proporcional al peso específico de las sustancias ensayadas.

3) ¿Qué aplicabilidad tiene la propiedad de la capilaridad en la industria?

Cite ejemplos.

Sin lugar a dudas la capilaridad es una de las propiedades de los fluidos

que mayor aplicabilidad tiene en la industria; describiendo su importancia

desde las toallas absorbentes para cocina hasta las esponjas de limpieza

en el hogar cuyas propiedades son aprovechables en las labores de

21

limpieza. De igual forma esta propiedad también es aplicable en los

procesos de soldadura por capilaridad el cual tiene lugar cuando a la junta

de un tubo y de un accesorio, posterior a su calentamiento, se le aporta un

metal que se funde al contacto con ellos, garantizando de esta forma una

soldadura de tipo hermético y resistente.

4) ¿Qué efecto tiene el fenómeno de la capilaridad en las cimentaciones y

muros de edificaciones cuando esta se presenta en los suelos de

soporte?

Aunque la capilaridad tiene aplicaciones aprovechables para la industria,

sus efectos en algunos casos pueden ser destructivos para las

cimentaciones y muros de edificaciones debido a que el agua por sus

propiedades sube por las conexiones de soporte de la estructura,

provocando de esta manera que la humedad existente en el cimiento

debilite el material, que comúnmente es concreto, y se debilite por la acción

del agua, concretamente de la humedad que hace que los aditivos que

componen la mezcla se separen progresivamente y de esta manera dejar

expuesto al acero que refuerza la estructura; y que sumado la corrosión del

acero, provocan fisuras y grietas que poco a poco si no son tratadas a

tiempo terminan por acabar totalmente con el elemento de apoyo

estructural.

5) ¿Qué recomendaciones preventivas se deben hacer para evitar

problemas en las estructuras?

Entre las recomendaciones preventivas acerca de los problemas

estructurales debidos a la capilaridad está el tratamiento de las mezclas de

concreto empleadas en los procesos constructivos mediante aditivos y

22

agentes químicos especiales, basados también en los ya conocidos

inclusores de aire, los cuales hacen que el tipo de material gane

impermeabilidad y pueda ofrecer un tipo de resistencia mayor a los efectos

capilares del agua. Igualmente, una recomendación puntual para la

prevención del fenómeno de capilaridad puede ser la inclusión e inyección

de resinas en las bases de las cimentaciones para garantizar de esta forma

el relleno parcial de los poros que componen las unidades de mampostería.

6) ¿Qué métodos existen para la reparación y protección de las estructuras

que han sido afectadas por este fenómeno?

En lo que respecta a patologías estructurales es clave señalar que con el

tiempo han surgido nuevas formas de reparar y restaurar daños producidos por

la capilaridad en edificaciones. En primera instancia es primordial verificar bajo

estudios precisos y ensayos de compresión el estado preciso del material, para

luego diagnosticar si es o no recuperable.

Hay que tener en cuenta que los materiales que han estado expuestos durante

mucho tiempo a los estragos de la capilaridad difícilmente pueden ser

restaurados o reemplazados debido a que por la acción de la humedad tienden

a podrirse y quedan prácticamente inservibles.

Actualmente, en la industria se maneja un tipo de resina que impermeabiliza las

superficies expuestas y consiste en la inyección de resina en la base de la

estructura, de modo que además de impedir el paso del agua, garanticen una

protección adicional al material.

23

10. CONCLUSIONES

Podemos concluir entonces que el aumento de la superficie de un líquido exige

un trabajo por unidad de superficie representada por la medida de la tensión

superficial de la sustancia.

Igualmente se tiene que mediante el resultado experimental y mediante el

análisis matemático respectivo, que la capilaridad de los líquidos ensayados

depende en gran manera del peso específico de la sustancia y está en función

de las tensiones superficiales de los mismos. En este sentido, también es

válida la afirmación de que el fenómeno de capilaridad es fácilmente

observable en la cotidianidad en muchos aspectos de la naturaleza.

Por otra parte encontramos entonces, que el ángulo de contacto en algunos de

los líquidos ensayados difiere en cuanto a la forma de la curva generada por el

mismo, la cual puede ser cóncava o convexa, dependiendo de la magnitud de

la fuerza de cohesión y de adhesión del líquido y del material en el cual este

está contenido. Adicionalmente al aumentar la profundidad respecto a la

superficie en un fluido aumenta la presión interna del fluido por la cual la

velocidad de salida también aumenta; por lo que los fluidos tienden a ascender

por las paredes del recipiente por el fenómeno de capilaridad para equilibrar su

tensión superficial con el peso de la sustancia.

BIBLIOGRAFÍA

POTTER, Merle C, WIGGERT, David C. Mecánica de fluidos 2da Edición,

Editiorial prentice Hall México.

SERWAY, Raymond, Física, Tomo 1, Cuarta edición, editorial Mc Graw Hill

interamericana editores, Bogotá 1997

W: SHANE. Introducción a la mecánica de fluidos, Editorial Mc. Graw Hill.