08/04/2015

2015

Elementos de Hidráulica

Laboratorio #2

Tensión Superficial y Capilaridad

Tensión Superficial y Capilaridad

Objetivos

Objetivo general

Determinar la fuerza de tensión superficial que ejerce un líquido (H2O), refiriéndola a la unidad de longitud sobre la que actúa esta fuerza.

Obtener a través de los cálculos necesarios la altura “h” que alcanzo el agua y el alcohol en el popote y comprender a por medio de la teoría a que se debe este fenómeno.

Formular conclusiones en base a la experiencia realizada.

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Equipos y materiales

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Materiales:

1. Alcohol2. Agua

Equipos:

1. Probetas2. Pie de rey (vernier)3. Popote4. regla

Tensión Superficial y Capilaridad

Introducción

Cuando se trata de los líquidos, su superficie se comporta como si fuera una membrana elástica tensa, propiedad que se conoce como tensión superficial. Esto se debe a que cualquier partícula en el seno de un líquido se encuentra rodeada de otras partículas que ejercen sobre ellas fuerzas iguales en todas direcciones, por lo que se equilibran entre sí; otras partículas que se encuentran en la superficie libre, solo están rodeadas por un lado por partículas que, al atraerla hacen que aparezcan fuerzas laterales en todas direcciones que tienden a disminuir el área de la superficie libre del líquido, y una fuerza hacia el interior del líquido que tiende a disminuir su volumen.

A muchas personas, al menos una vez en su vida, se le ha roto un termómetro de mercurio, hecho lamentable un poco por su valor y otro tanto por lo costoso que es juntar las pelotitas que forma el material sobre la superficie en que se derramó. Pero, ¿alguien alguna vez se preguntó por qué esta sustancia forma esas bolillitas? Esto sucede debido a la tensión superficial, una propiedad específica de la materia.

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1. Tensión superficial

Las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan a propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial. Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial), y al hacerlo el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible.

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Datos básicos

Las fuerzas superficiales (cohesión: líquido-líquido, adhesión: líquido-sólido) son responsables de muchos fenómenos con interés biológico, basadas en los conceptos de tensión superficial y capilaridad.

Los líquidos tienen un volumen fijo. Sin embargo, su forma varía (cambia el área de la superficie que los envuelve): se adaptan al recipiente (ocupando la zona más baja por gravedad) dejando una superficie libre (no totalmente plana) o adoptan formas

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La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. 

Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando está en contacto un líquido con un recipiente.

A la fuerza que actúa por centímetro de longitud de una película que se extiende se le llama tensión superficial del

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líquido, la cual actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido. La tensión superficial es numéricamente igual a la proporción de aumento de la energía superficial con el área y se mide en erg/cm2 o en dinas/cm.

La energía superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma (g).

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2. Capilaridad

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La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que 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 esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

2.1 Ley de JurinLa ley de Jurin define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido y la fuerza de ascensión por capilaridad. La altura h en metros de una columna líquida está dada por la ecuación:

Ángulo de contacto.

Dónde:

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Efecto de capilaridad

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 = tensión superficial interfacial (N/m)θ = ángulo de contactoρ = densidad del líquido (kg/m³)g = aceleración debida a la gravedad (m/s²)r = radio del tubo (m)

Para un tubo de vidrio en el aire a nivel del mar y lleno de agua,

 = 0,0728 N/m a 20 °Cθ = 0°ρ = 1000 kg/m³g = 9,80665 m/s²

Entonces, la altura de la columna de agua, en metros, será:

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Por ejemplo, en un tubo de 1 mm de radio, el agua ascenderá por capilaridad unos 14 mm.

Procedimientos

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I. Parte. Tensión superficial del agua, h Se llena una probeta con una cierta cantidad de agua para el

experimento. Se mide el diámetro del popote (carrizo) con el calibrador

vernier. Se anota las medidas Se introduce el carrizo en el agua tomando una cantidad al

introducirlo y tapando con el dedo un extremo del carrizo. Se procede a medir con una regla la cantidad h de agua en el

carrizo. Se procede a calcular mediante análisis matemático.

II. Parte. Tensión superficial del alcohol Se llena una probeta con cierta cantidad de alcohol para el

experimento. Se mide el diámetro del popote (carrizo) con el calibrador

vernier. Se anota las medidas Se introduce el carrizo en el alcohol tomando una cantidad al

introducirlo y tapando con el dedo un extremo del carrizo. Se procede a medir con una regla la cantidad h de alcohol en

el carrizo. Se procede a calcular mediante análisis matemático.

III. Parte. Por qué el mercurio no moja? Paso mostrado mediante investigación teórica y explicativa

grupal de laboratorio.

Cálculos y resultados

I. Parte. Experimento con el agua

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Diámetro del popote = 0.7cm 0.007 mAltura experimental de agua en el popote h = 0.3cm 0.003m

σ perimetro ( cosθ )=γ π d2h

4

h=4σγ d

Agua h=4(0.073

Nm )

9810N

m3(0.007m )

h teorica=0.092m68.67

=0.004m 0.4 cm

% e=⋮ hteorica−hexperimentalh teorica

⋮ ×100

% e=⋮ 0.004m−0.003m0.004m

⋮ ×100=25 %

II. Parte. Experimento con el alcohol

Diámetro del popote = 0.7cm 0.007 mAltura experimental del alcohol en el popote h = 0.2cm 0.002m

σ perimetro ( cosθ )=γ π d2h

4

h=4σγ d

Agua h=4 (22.8 x103 N

m )7720

N

m3(0.007m )

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Tensión Superficial y Capilaridad

h teorica=0.0912m54.04

=0.001m 0.1cm

% e=⋮ hteorica−hexperimentalh teorica

⋮ ×100

% e=⋮ 0.001m−0.002m0.001m

⋮ ×100=−100 %

III. Parte. ¿Por qué el mercurio no moja?Para ver por qué el mercurio no moja y el agua y demás líquidos si mojan debemos destacar dos fuerzas: fuerza de cohesión fuerza que mantiene unido un compuesto o cuerpo, en los sólidos son muchos mayores que en los líquidos, a mayor fuerza de cohesión más dificultad de dividir ese compuesto. Fuerza de adherencia que posee un compuesto cuando se pone en contacto con la superficie.El mercurio no moja por que las fuerzas de cohesión que lo mantienen unidos son mayores a las fuerzas de adherencia, por lo tanto esto impide que una gota de mercurio se entienda y se adhiera por una superficie.

Conclusiones

La realización de la experiencia para medir la tensión superficial de estos líquidos me sirvió principalmente para cumplir el “ver para creer” puesto que se pudo dar respuesta a los diversos interrogante que se presentan en nuestro diario vivir, y se pudieron disipar algunas dudas que frecuentemente observamos y no sabemos darle una respuesta lógica a estos fenómenos.

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Tensión Superficial y Capilaridad

Pudimos llegar a la conclusión que según el principio de la tensión el agua tendió a subir una altura h, el cual dependería de la fuerza de cohesión y adhesión que son propias del líquido que ascendió por las fuerzas atractivas entre sus moléculas dentro del tubo capilar.

Llegamos a la conclusión que para que haya capilaridad la fuerza de cohesión natural que tiene que ser mayor a la fuerza de adhesión. Y que la tensión superficial de un líquido es una propiedad exclusiva y específica de cada líquido, y que depende de la temperatura, estado del entorno, presión atmosférica.

Recomendaciones

Al medir el diámetro del popote tratar de no presionar tanto con el calibrador para que no nos dé una medida errónea.

Cuando vas a medir con la regla la altura del agua y el alcohol, hay que hacerlo con mucha delicadeza para evitar que se salga el líquido del popote.

Después de la experiencia aprendida segur experimentando con otros líquidos para adquirir conocimientos.

Anexos

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Bibliografía

a. http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_superficial

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Tensión Superficial y Capilaridad

b. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/tension/introduccion/introduccion.htm

c. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/conceptosbasicosmfluidos/cohesi%C3%B3n/Tension%20superficial.htm

d. tema II tensión superficial, Dr. Juan pablo torres papaqui, departamento de astronomía, universidad de Guanajuato-mexico-2011. PDF

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