LABORATORIO N5-FISICA 2- tensión superficial.

FACULTAD DE INGENIERÍA MECANICA AERONAUTICA

AUTOMOTRIZ Y SOFTWARE

FÍSICA IILaboratório Nº 5

“TENSIÓN SUPERFICIAL”

INTEGRANTE: o PACHECO INCA, Casandra – 1221631o TEJEDA MEJIA, Ronal - 1221638

DOCENTE:NOLASCO ESPINOZA, Oscar Vidal.

CICLO:II

FECHA DE ENTREGA:17/09/2013

LIMA - PERÚ- 2013 -

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

ÍNDICE

PÁG

OBJETIVOS………………………………………………………..…….3

EQUIPOS Y MATERIALES………………………………....….........3

FUNDAMENTO TEÓRICO……………………………….………..3

PROCEDIMIENTO ………………………………..……………..…..7

CUESTIONARIO…….……………………………………………..….9

OBSERVACIONES………………………………………………..….15

CONCLUSIONES……………………………………………………16

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RECOMENDACIONES…………………………………………….16

BIBLIOGRAFIA……………………………………………………….16

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TENSIÓN SUPERFICIAL

1.-OBJETIVOS

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

2.-EQUIPOS Y MATERIALES

Un (01) Dinamómetro de Precisión Leybold Didactic (0.1 N; Precisión 1 mN)

Un (01) Aro metálico (diámetro: 6 cm aprox.). Un (01) Recipiente de Cristal. Tres (03) Líquidos: agua, alcohol y glicerina. Un (01) Soporte universal. Un (01) Soporte elevador. Una (01) Nuez simple. Una (01) Varilla de metal (aprox. 50 cm) Un (01) termómetro. Un (01) Calibrador vernier o pie de rey.

3.-FUNDAMENTO TEÓRICO:

Un líquido que fluye lentamente por el extremo de un cuentagotas no sale en forma de chorro continuo, sino como una sucesión de gotas. Una aguja de coser o una moneda, colocada cuidadosamente sobre la superficie del agua, forma en ella una pequeña depresión y permanece en reposo sin hundirse, aunque su densidad llegue a ser hasta diez veces mayor que la del agua.

Cuando un tubo de vidrio, limpio y de pequeño calibre, se sumerge dentro del agua, esta se eleva en su interior; pero si se sumerge en mercurio, el mercurio desciende. Estas experiencias, y otras muchas de naturaleza análoga, están relacionadas con la existencia de una superficie límite entre un líquido y alguna otra sustancia.

Todos los fenómenos citados indican que cabe imaginar la superficie de un líquido en tal estado de tensión que se asemejaría con una membrana elástica tensa.

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Se define el coeficiente de tensión superficial (σ), como la fuerza que la tensión superficial de un líquido ejerce sobre la parte del objeto en contacto con la superficie del mismo resultado de la atracción de las moléculas, refiriéndola a la unidad de longitud del contorno (o perímetro).

Dónde:

L: Longitud de la superficie en contacto con el líquido (perímetro del Aro)

F: Fuerza de la Tensión Superficial

σ: Coeficiente de la dilatación lineal o coeficiente promedio de expansión lineal, tiene unidades de (° C)−1

Debido a la tensión superficial, las gotitas pequeñas de un líquido tienden a adquirir forma esférica. Cuando se forma la gota, la tensión superficial tiende a comprimirla reduciendo al mínimo posible la superficie de la misma, resultando así esférica la gota.

Muchas manifestaciones de la tensión superficial: Transformación de un chorro de líquido en gotas, curvatura de un líquido en las paredes del recipiente que lo contiene, etc., permiten encontrar relaciones de proporcionalidad entre la densidad de un líquido (masa de la unidad de volumen), y su tensión superficial, de forma que siempre ésta es mayor en los líquidos más densos.

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3.1 MEDIDA DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL DE UN LÍQUIDO

El método de Du Nouy es uno de los más conocidos. Se mide la fuerza adicional ∆F que hay que ejercer sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lámina del líquido se va a romper. (Ver figura N° 1)

La tensión superficial del líquido se calcula a partir del diámetro 2R del anillo y del valor de la fuerza ∆F que mide el dinamómetro.

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El líquido se coloca en un recipiente, con el anillo inicialmente sumergido. Mediante un tubo que hace de sifón se extrae poco a poco el líquido del recipiente.En la figura representa:

1. El comienzo del experimento.2. Cuando se va formando una lámina de líquido.3. La situación final, cuando la lámina comprende únicamente dos

superficies (en esta situación la medida de la fuerza es la correcta) justo antes de romperse.

Si el anillo tiene el borde puntiagudo, el peso del líquido que se ha elevado por encima de la superficie del líquido sin perturbar, es despreciable.

4.- PROCEDIMIENTO:

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Se realizarán medidas de la tensión superficial del agua, alcohol etílico y glicerina (en este orden), para lo cual pondremos en contacto las correspondientes superficies de los líquido con un aro metálico, de perímetro L conocido. Así, la tensión superficial del líquido problema será la fuerza que experimenta el aro por unidad de longitud cuando está en contacto, (no sumergido) con dicho líquido. El resultado debe darse en unidades del Sistema Internacional. Para el montaje ver figura N° 4.

Se aconseja limpiar, con agua y alcohol la zona del aro y de la lámina que va a hacer contacto con el líquido.

Pasos a seguir:

1. Se tomarán las medidas del aro metálico y de la lámina de vidrio haciendo uso del calibrador. El valor de L, a sustituir en la fórmula Para el aro metálico, será: la suma del perímetro externo más el perímetro interno del aro, ya que, debido a que éste tiene un cierto grosor, existe una película superficial en ambos lados del mismo.

2. Armar el sistema experimental como se indica en la figura N° 4:

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3. Verter el líquido problema en el vaso y colocar este sobre la plataforma. Suspender el dinamómetro, el aro metálico e introducirlo en el vaso de modo que no toque el líquido cuya tensión superficial queremos medir. Anotar el valor dado por el dinamómetro que se tomará como valor de referencia, F0.

4. Descender el aro hasta que toque la superficie del líquido, lo más paralelo posible.

5. Una vez en contacto, hacer descender lentamente el soporte del vaso observando el indicador del dinamómetro hasta que el aro de despegue del líquido. Lo notaremos porque se observará un salto apreciable en las lecturas realizadas. Anotar este último valor como F. Repetir la experiencia 5 veces para cada sustancia.

6. Calcular σ en cada caso y para cada sustancia. Se efectúa cálculo de errores correspondiente.

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7. Mide la temperatura T del ambiente para referencia.8. Busque en las referencias los valores de los coeficientes de

Tensión Superficial de los líquidos usados y calcule los errores relativos porcentuales y coloque los resultados en la tabla.

5.-CUESTIONARIO:

1.- ¿A la vista de los resultados, podrás concluir que existe alguna relación entre tensión superficial y densidad?

Si existe aparte la fórmula para hallar la tensión superficial es:

tensión= r.d.g.h/2donde r: es radiod: densidadg: la aceleración de la gravedad (9.8m/seg2)h: altura

la tensión superficial es la fuerza que se necesita vencer para extender toda el área superficial del líquido.Un líquido que tenga una densidad elevada, tendrá una tensión superficial mayor.Además El Coeficiente de Tensión Superficial depende de la densidad debido a la presión que al elevarla en un tubo cilíndrico de pequeño diámetro sumergida en un líquido contenido en una vasija de dimensiones mayores, aumenta el tamaño de la burbuja de aire que es expulsada en su extremo interior, aumentando su superficie; pero si la densidad del líquido es mayor esto dificulta la salida de la burbuja de aire, por lo tanto el trabajo aumentaría y el coeficiente también se incrementaría

2.- ¿El coeficiente de tensión superficial está relacionado con la viscosidad?Un fluido es una sustancia que puede fluir. Los líquidos se diferencian notablemente en sus coeficientes de viscosidad los cuales determinan el límite entre lo sólido y lo líquido. A medida que la viscosidad aumenta, el trabajo también lo hace provocando que el coeficiente de tensión superficial se eleve. Esto significa que la viscosidad está en relación directa con el coeficiente de tensión superficial.

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3.- ¿cuáles son las causas de la tensión superficial?

La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas.

Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie.2 Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será 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.

Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-LaGrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.

4.- ¿Cómo influye la temperatura en la tensión superficial?

La temperatura si influye en la tensión superficial ya que depende uno del otro: En un líquido observamos que las moléculas en la superficie tiene una fuerza de atracción resultante hacia el interior del líquido;

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como consecuencia de esta fuerza la superficie del líquido se comporta como si estuviera en tensión y la cubriera una membrana invisible .La tensión superficial, disminuye al aumentar a temperatura ya que al aumentar la temperatura la moléculas en el interior del líquido

5.- ¿Que es Capilaridad y que es menisco?

La capilaridad es un proceso de los fluidos 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.

En física, el menisco es la curva volteada de la superficie de un líquido que se produce en respuesta a la superficie de su recipiente. Esta curvatura puede ser cóncava o convexa, según si las moléculas del líquido y las del recipiente se atraen (agua y vidrio) o repelen (mercurio y vidrio), respectivamente.

La concavidad del menisco se origina cuando las fuerzas de adhesión entre las moléculas de un líquido y las paredes del recipiente que lo contiene son mayores que las fuerzas de cohesión del líquido. La

convexidad del menisco surge cuando las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión. De hecho la forma del menisco está relacionada con la altura de un líquido en un capilar a través de la ley de Jurin.

La tensión superficial actúa succionando el líquido cuando el menisco es cóncavo, y rechazándolo cuando es convexo. Debido a esta

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Un menisco tal como se ve en una

Bureta de agua coloreada


característica se da el fenómeno de capilaridad que, por ejemplo, se produce en las plantas para transportar el agua.

La química es importante para realizar la lectura de un líquido en cualquier material volumétrico. Para esto deben coincidir la curva (más bien la tangente de ésta) (la parte central)con el aforo o graduación. Siempre teniendo la vista perpendicular a ambas.

El líquido restante del menisco que queda por encima del aforo (en caso de ser cóncavo), generalmente queda en el recipiente una vez vertido el contenido.

6.- El coeficiente de tensión superficial ¿Es igual a α=cero para el agua?¿Podría generalizarse para otros líquidos?

Para un líquido dado, digamos en este caso el agua, el valor de α disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva delas fuerzas intermoleculares. El valor de α tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica del compuesto (T C agua= 400.85 C o). En ese punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos.

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Un menisco tal como se ve en una

Bureta de agua coloreada


7.- Si la fuerza requerida para separar un anillo de DuNoy de 4 cm. De diámetro de la superficie de un líquido es de 18.6 mN ¿Cuál es el valor de la tensión superficial del líquido?

L=2 (2π x 0.02m)L=0.25m

σ=18.6 x 10−3 N

0.25m=0.074N /m

8.- De cinco ejemplos de donde se aplica la tensión superficial

1.- Echando suavemente un puñado de tierra en un depósito de agua, se verá que algunas partículas de tierra flotan en la superficie del agua, a pesar que son mucho más pesadas que el agua.

2.- Si engrasamos una aguja pequeña y con la ayuda de un soporte de alambre delgado, la ponemos muy suavemente sobre la superficie libre del agua, veremos que puede flotar a pesar que la densidad del acero es

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muchas veces mayor que la delagua. Si observamos con una lupa la superficie del agua, veremos que estádeformada, tal como si en la superficie libre del agua hubiera una película o membrana muy delgada que sostuviera la aguja.

3.- Cuando una burbuja de aire sube del interior de una masa líquida a la superficie ,al llegar a ella el aire no sale libremente, sino que se forma una película o membrana del líquido que lo impide formándose lo que llamamos espuma.

4.- Debido a la tensión superficial los líquidos tienden a que su superficie seamínima, por ello las gotas adoptan la forma esférica, lo que puede probarsefácilmente en la siguiente forma: disolvemos 2/3 partes de alcohol en 1/3 parte de agua, pongamos la solución en un frasco de boca ancha y con un gotero pongamos dentro de la solución unas gotas de aceite, como el aceite y la solución tienen la misma densidad, las gotas de aceite se quedarán, dentro de la solución, inmóviles ,adoptando la forma completamente esférica.

5.- Aprovechando la propiedad anterior se fabrican los perdigones de plomo, soltando gotas de plomo fundido desde torres. Las gotas de lluvia, también por esto son esféricas

9.- ¿Cómo se aplicaría este tema en su carrera profesional?Los hidrocarburos derramados por los barcos en el mar flotan y se propagan formando una gran mancha. Esto puede solucionarse por precipitación, si se aplican los dispersantes:Los dispersantes son agentes químicos que alteran el comportamiento físico de los hidrocarburos sobre la superficie del mar. Consisten en una mezcla de agentes tensioactivos disueltos en un solvente que ayuda a que la mezcla penetre en los hidrocarburos. Los agentes tensioactivos reducen la tensión superficial de los hidrocarburos, aumentando así la velocidad de formación de pequeñas gotas, separando el producto en partes y precipitándolo al fondo del mar.

6.-OBSERVACIONES:

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Por cada prueba que se realiza poner al dinamómetro de precisión en 0 mN.El radio interior y exterior del aro en contacto con el líquido son casi lo mismo.Por cada prueba que se realiza Bajar lentamente con el soporte elevador el recipiente que contiene el líquido y el aro con contacto.Mantener el aro tensionado por un tiempo de 10s.

7.-CONCLUSIONES:

Pudimos percibir que entre mayor sea la fuerza de cohesión del fluido más fuerza será necesaria para romper la película.Se pudo reconocer la relación que hay entre cada líquido de acuerdo a sus propiedades, es decir cada líquido responde de diferente manera en cuanto a su viscosidad y su tensión superficial.

8.-RECOMENDACIONES:

Descender el aro hasta que toque la superficie del líquido, lo más paralelo posible.Limpiar el aro al cambiar de líquido.No botar la glicerina, con un embutido regresarlo al frasco.Apuntar la fuerza de tensión superficial antes de que el aro salte del líquido.No apoyarse en la mesa donde se desarrolla el experimento

9.- BIBLIOGRAFÍA:

Sears, F. Zemansky, M. (1971) FISICA GENERAL VOL 1 5 ED. Barcelona: España, Aguilar.Serway. Jewett Física para ciencias e ingeniería.TINS Manual de Ondas, Fluido y Calor.

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