Tarea 1 Efecto TS y Capilar

7/24/2019 Tarea 1 Efecto TS y Capilar

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C e l a y a , G T O . A 2 d e O c t u b r e d e l 2 0 1 5

OR:

LCOCER ABOYTES FERNANDA

LVARADO FIGUEROA DAVID ABINOHAM

ALLEJO CAMACHO MARA ANAYELI

MECNICA DE FLUIDOS

TECNOLGICO NACIONAL DE

MXICOTECNOLGICO DE CELAYA

TAREA 1.TENSIN SUPERFICIAL Y

EFECTO DE MEMBRANA

ING.AMBIENTAL


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NDICE

Generalidades .... 2

Introduccin..3

Tensin Superficial

1.1Definicin de Tensin Superficial4

1.2 Importancia de Tensin Superficial.5

1.3 Descripcin del fenmeno6

1.4 Experimentacin y Resultados..7

1.5 Comparacin y Discusin de las Diferencias

Con los clculos Tericos.8

1.5 Discusin y conclusiones.9

Capilaridad

2.1Definicin efecto Capilar.102.2 Importancia de efecto Capilar11

2.3 Descripcin del fenmeno12

2.4 Experimentacin y Resultados..14

2.5 Comparacin y Discusin de las Diferencias

Con los clculos Tericos.17

2.6 Discusin y conclusiones.18

Bibliografa.19


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GENERALIDADES DE TENSIN SUPERFICIAL YCAPILARIDAD

Interface: Trmino general cuando se habla de la interaccin entre fases(lquido/gas, lquido/lquido, lquido /slido, etc.) pero especialmente usadapara la capa lquido/lquido.

Superficie: Trmino normalmente usado para la capa lquido/gas.

Tensin Interfacial: En trminos sencillos, la tensin que se presenta para lainteraccin entre capas lquido/lquido.

Tensin Superficial: La tensin que se presenta en la interaccin entre capaslquido/gas.

Energa libre Interfacial: Exceso de energa libre en la interface lquido/slido.

Energa libre Superficial: Exceso de energa libre en la interface gas/slido. LaTensin puede representarse mediante dos smbolos griegos o .

Pared tubular: Corresponde a la parte del tubo que hace contacto con elfluido para generar fuerzas de adhesin con el mismo.


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INTRODUCCIN

A lo largo de los siglos el hombre ha buscado comprender los fenmenos fsicos

que ocurren a su alrededor, primero mediante la observacin, posteriormente

anlisis, experimentacin, interpretacin y consecucin de modelos que le

permitan utilizar estos conocimientos para hacer ms sencillas o productivas las

actividades propias de su existencia.

En este trabajo se abordarn un par de fenmenos fsicos primordiales en algunos

procesos biolgicos: Tensin superficial y capilaridad.

Para entenderlos se realizarn un par de experimentos con su respectivo anlisis y

marco terico que buscarn lograr un panorama general de estos fenmenos, as

como la comprensin de los mismos mediante la misma experimentacin.

En cuanto a tensin superficial se utilizar un alfiler como prueba de que en el agua

se forma una membrana superficial capaz de sostener el peso de objetos

pequeos sin que estos lleguen a hundirse.

En capilaridad se utilizar un tubo con dimetro extremadamente pequeocomnmente utilizado en cromatografa de gases y otros experimentos qumico-

biolgicos para mostrar como un lquido es capaz de trepar las paredes del

recipiente que lo contiene cuando se dan las condiciones adecuadas.

(A. CENGEL & M. CIMBALA, 2012)


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1.1DEFINICIN DE TENSIN SUPERFICIAL

En fsica se denomina tensin superficial de un lquido a la cantidad deenerga necesaria para aumentar su superficie por unidad de rea. Estadefinicin implica que el lquido tiene una resistencia para aumentar susuperficie. Es una propiedad que slo poseen los lquidos, al ser los nicosque poseen una superficie libre. Es una fuerza de tensin distribuida a lolargo de la superficie de un lquido.

La tensin superficial (una manifestacin de las fuerzas intermoleculares enlos lquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los lquidos y las superficiesslidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Fuerza

que acta tangencialmente por unidad de longitud en el borde de unasuperficie libre de un lquido en equilibrio y que tienda a contraer dichasuperficie.

A nivel microscpico, la tensin superficial se debe a que las fuerzas queafectan a cada molcula son diferentes en el interior del lquido y en lasuperficie. As, en el seno de un lquido cada molcula est sometida afuerzas de atraccin que en promedio se anulan, lo que ocasiona que lamolcula tenga una energa bastante baja. Sin embargo, en la superficie

hay una fuerza neta hacia el interior del lquido.


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1.2 IMPORTANCIA DE LA TENSIN SUPERFICIAL

Todos los objetos de nuestro mundo estn rodeados de una interface osuperficie. De aqu radica la importancia del estudio de la Tensin superficialpara entender el comportamiento de las propiedades interraciales endiversas reas, tales como: el secado y mojado de las telas, las interaccionesinterfaciales entre membranas de clulas biolgicas, la dispersin delpetrleo crudo en la roca favoreciendo el desplazamiento del petrleo atravs de un medio poroso.

La TS resulta ser una magnitud fundamental para entender fenmenos

como la capilaridad, solubilizacin de fluidos inmiscibles, as como paracaracterizar los efectos de compuestos surfactantes.

De igual forma, influye en diversas aplicaciones (medicina, procesosbiolgicos, soldadura aeroespacial, automotriz, etc.), por lo que conocer elvalor de dicha propiedad para algunas aplicaciones.

En metrologa la TS se encuentra involucrada en diversos fenmenos, peroprincipalmente en aquellos relacionados con metrologa de densidad,principalmente en el mtodo de pesada hidrosttica, ya que el patrn de

densidad se encuentra suspendido de una balanza mediante un alambre, elcual entra en contacto con el lquido en el que se encuentra inmerso elslido, esto provoca la formacin de un menisco, y el tamao de dichomenisco depende del valor de la TS del lquido.

Otro proceso importante es el de la influencia del valor de la TS de loslquidos que son empleados para la calibracin de hidrmetros y en dondese utiliza el mismo, ya que en la espiga se presenta la formacin del meniscodebido a la TS del lquido.

(Julio C. Daz. J., 2008)


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1.3 DESCRIPCIN TERICA DEL FENMENO

Observamos en la figura, las fuerzas intermoleculares que actan en el senoy superficie del lquido no son iguales, aunque en promedio terminananulndose.

Las molculas del seno del lquido estn interactuando entre ellas a todasdirecciones, esto lo hacen con una menor fuerza de atraccin, debido a sudistribucin, en cambio en la superficie, observamos que las molculas solointeractan con las otras de sus extremos y las de abajo, ejerciendo unamayor fuerza de atraccin, por lo que, las molculas de la superficie estn

atradas por el volumen.

Al momento fuerzas intermoleculares que interactan en la superficie, es loque se conoce como Tensin Superficial, como su nombre lo indica estatensin que se crea en la superficie, o momento de presin interna, formauna membrana en la superficie, que causa que los cuerpos se muevan conmayor dificultad en esta regin, y es por eso que en ocasiones observamosobjetos ms pesados o ms densos que el lquido flotando en la superficie.

Por este fenmeno, algunos insectos y animales

Tienen la posibilidad de posarse sobre el

Agua sin que se hundan.


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1.4 EXPERIMENTACIN Y RESULTADOS

EFECTO MEMBRANA

Materiales:

Procedimiento:

Un recipiente de boca anchacon agua hasta el borde

Un alfiler Pinzas para depilar

Se coloc el alfiler en elrecipiente de boca ancha

con agua, con ayuda de laspinzas de depilar, lograndomantenerlo en la superficie

en el primer intento.

Se observa cmo se

forma la membranaalrededor del alfilerdebido a la tensin

superficial


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1.5 Comparacin y discusin de lasdiferencias con los clculos tericos

Es muy importante que en los clculos tericos slo se considere la sumatoriade fuerzas en el eje y ya que es la direccin donde acta el peso delobjeto, por tanto la tensin superficial va a depender del radio y el ngulode inclinacin.

Debido a que el empuje est asociado con el volumen desalojado por elalfiler.

En cuestiones prcticas para lograr que el alfiler flote en el agua y se genereuna membrana, se deben tomar en cuenta la estabilidad del lquido paraevitar que el alfiler se hunda.

Basndonos en el diagrama

+ + 2 s i n 2 = 0 . 4

= = 1 = . 2 = . 3: 12 sin 5Sustituyendo 5 en 1 = [ sin] ( ) + [ sin]+2 = 0

Diagrama de cuerpo libre


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1.6 DISCUSIONES Y CONCLUSIN

Conclusin:

La expresin que obtenida anteriormente, nos indica el valor mximo delradio que puede tener un cilindro con el volumen parecido al del alfiler ypara que este pueda flotar.

Con el experimento pudimos observar el fenmeno de TS de maneraprctica enriqueciendo el tema. Se poda apreciar la membrana bajo elalfiler, formada en la superficie del vaso.

Se comprob que a pesar de que el peso especfico del acero es muchomayor comparado con el del agua y por ende se suponga que el alfilerdebiera hundirse, en este y otros casos aplica el concepto de tensinsuperficial, ya que de esta manera se logr que el alfiler flotara.

Discusiones:

Entre las dificultades encontradas durante la realizacin del experimento,era el viento, ya que no permita que el lquido se mantuviera estable, y portanto dificultara la colocacin del alfiler, por ello es recomendable llevar acabo la experimentacin en una habitacin cerrada, para evitar lainteraccin de diversos factores ambientales que perjudiquen el resultado.

Como factores favorables, encontramos la temperatura, ya que laexperimentacin se llev a cabo en una localidad con temperatura de 25C, lo cual relativamente no altero la TS. Ya que la TS depende a veces dela T:

T < TS T > TS

H2O @ 20 C = 72.8


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2.1DEFINICIN DE CAPILARIDAD

Dependiendo del ngulo de contacto, puede ocurrir que un lquidoascienda (90) por un tubo estrecho (capilar) unacierta altura h, lo que se denomina como capilaridad o accin capilar.

En efecto: en el equilibrio, el peso de la columna de lquido se compensarcon la componente vertical de las fuerzas de cohesin F cos(debido a latensin superficial ). Las fuerzas de adhesin no intervienen ya que son

perpendiculares a la superficie del tubo.

(Universidad de Granada, 2015)

As pues, en forma simplificada, se denomina efecto capilar al fenmeno

que experimenta un lquido en un tubo delgado con fuerzas de cohesinmenores a las fuerzas de adhesin al tubo que permite que asciendadeterminada altura.


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2.2 IMPORTANCIA DEL EFECTO CAPILARIDAD

En un caso preciso la importancia del estudio de la capilaridad se tienecuando se piensa construir un terrapln en una zona inundada, siendonecesario levantar dicho terrapln hasta la altura donde el agua noperjudique la estabilidad del pavimento que se construya. La presinnegativa en los capilares correspondiente a la ascensin capilar es unamedida de la succin sobre el agua en los poros.

(Villalaz, 2014)

Otro ejemplo de la importancia de este fenmeno se da en la naturaleza

misma, en especfico en las plantas. Estas absorben agua y otras sustanciasdel suelo a travs de la raz. Dichas sustancias son transportadas hasta lashojas por unos vasos conductores por capilaridad.

(FQ- Experimentos, 2013)

Se utiliza tambin de manera recurrente en la experimentacin qumicacuando, por ejemplo, se tiene que obtener una cantidad mnima de unasustancia o analizar un sistema desde un punto de vista muy pococuantioso.


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2.3 DESCRIPCIN DEL FENMEDO DECAPILARIDAD

La capilaridad es un fenmeno experimentado por los fluidos que es directamentedependiente de su tensin superficial, la cual a su vez depende de la cohesin dellquido y le da la capacidad de subir o bajar dentro del tubo capilar.

Para que un lquido logre trepar por las paredes de un tobo capilar es necesariala actuacin de fuerzas intermoleculares que logren una cohesin molecular menora la adhesin del lquido con el material del tubo. Esto comnmente se conocecomo un lquido que moja. El lquido sigue subiendo hasta que la tensin superficiales equilibrada por el peso del lquido que llena el tubo.

Para comprender mejor el fenmeno de capilaridad es necesario conocer lo que

sucede con un lquido cuando se encuentra dentro de un recipiente. En el interioruna molcula est rodeada por todos lados por otras molculas las cuales ejercenfuerzas de atraccin para con cada una de ellas, en los extremos las molculasexperimentan otro tipo de fuerzas de atraccin pero a diferencia de las otras, songeneradas en la pared del tubo. Cuando las ltimas fuerzas son mayores, entoncesel lquido ascender lgicamente.


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Ya mencionadas las fuerzas de cohesin y adhesin que actan para el fenmeno,debemos tomar en cuenta otro factor importante: la diferencia de presin.

Cuando un lquido asciende por un tubo capilar y moja las paredes del tubo, formaun menisco cncavo en la superficie lquido-aire en virtud de una diferencia de

presin entre el lquido contenido en el recipiente y la presin del lquido en elinterior del capilar. Esta diferencia de presin provoca un ascenso del lquido en elinterior del capilar que se detiene en el momento en que las presiones son iguales,es decir la presin hidrosttica de la columna de lquido en el capilar y la presinfuera del mismo. Por tanto, mientras ms suba el lquido por el capilar, la diferenciade presiones es mayor y por lo tanto mayor es el valor de la tensin superficial dellquido. Esto est representado en la ecuacin de Young-Laplace.

= 2 Donde se observa que la tensin superficial depende directamente de ladiferencia de presiones mientras que el radio del capilar la afecta inversamente.

(Jimnez de Pablo, 2012)


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2.4 EXPERIMENTACIN Y RESULTADOS EFECTOCAPILAR

Materiales:

Procedimiento:

Vernier

Regla

Tubo transparentecon orificio central

menor a 0.5mm

Medir e dmetrointerno del capilar

con el vernier

D= 1.7mm

Se introdujo el capilardentro de un recipiente

con agua color rojo, juntocon una regla para tomar

lectura

0.8cm


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Clculos tericos:

Aplicando la sumatoria de fuerzas en el eje y tenemos que:

= 0 = s i n

Para este caso y tomando como general la siguiente aseveracin:

s i n = 0Donde w representa el peso

= Donde G es la fuerza por unidad de longitud y l representa el permetro(Para este caso el permetro ser igual a l=D)

= DSustituyendo tendremos entonces:

Dsin 4 = 0 s i n 4 = 0

Para este caso en especfico tendramos que despejar la altura de laecuacin que quedara como sigue:


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= 4sin Como clculos auxiliares tendramos los siguientes:

= Donde V es el volumen = 4

= 4 Nota: La presentacin de las ecuaciones para la resolucin del problema se

presentaron de manera general ya que no se contaba con suficienteinformacin ni con instrumentacin adecuada para cuantificar cada unode los parmetros.


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2.5 COMPARACIN Y DISCUSIN DEDIFERENCIAS CON LOS CLCULOS TERICOS

Los clculos tericos no mostraban una cantidad especfica ya que no secontaba con informacin ni instrumentacin adecuada para obtener unasolucin particular, sin embargo a travs de la experimentacin se pudo verde manera grfica como es que ocurre el fenmeno.

Podemos afirmar que hay innumerables factores que podran alterar losresultados en algn experimento de esta naturaleza, por ejemplo, en nuestrocaso, la falta de un lugar adecuado para realizarlo, es decir, con todos los

factores influyentes controlados como puede ser la vibracin, la pureza delfluido, la exactitud en las mediciones con instrumentos adecuados etc.


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2.6 Discusin y Conclusiones

El tipo de prcticas como la que aqu es presentada constituye una parteprimordial de nuestro aprendizaje como futuros ingenieros, ya que nospermite observar lo que sucede realmente en el fenmeno descrito, y as,nos crea un panorama notablemente ms amplio a la hora de intentarimaginar o comprender un fenmeno de este tipo.

En cuanto a los resultados obtenidos, a pesar de no ser cuantificables, segeneraron las ecuaciones de manera metdica para poder obtener unasolucin general al fenmeno.

Se puede observar tambin a partir de la experimentacin que es mssencillo identificar todos los factores que podran influir en la consecucin deun resultado presenciando el fenmeno que slo analizndolotericamente.

Como conclusin, ambos fenmenos fsicos, tanto el de tensin superficialcomo el de capilaridad, son importantes en la naturaleza y en la creacinde nuevas tecnologas que pueden apoyar en el desarrollo constante de laespecie humana y pueden aportar importantes avances para la

productividad industrial y los procesos arduos de investigacin, tanto delfuncionamiento del planeta como en materia de innovacin.


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BIBLIOGRAFA

A. CENGEL, Y., & M. CIMBALA, J. (2012). TENSIN SUPERFICIAL Y EFECTO CAPILAR. EnY. A. CENGEL,MECNICA DE FLUIDOS(pg. 736). MXICO, D.F.: Mc GRAWHILL.

AcademyPlus (2012). Tensin Superficial de un Fluido [Grabado por A. Goyeneche].Espaa.

FQ- Experimentos. (19 de Mayo de 2013). FQ-Experimentos. Obtenido de http://fq-experimentos.blogspot.mx/2013/05/265-capilaridad-en-las-plantas.html

Jimnez de Pablo, E. (2012). Determinacin experimental de la tensin superficialdel agua en cmara micro- reolgica.Madrid: Universidad Carlos III deMadrid.

Julio C. Daz. J., L. O. (24 de Octubre de 2008). Simposio de Metrologa 2008 .Obtenido dehttp://www.cenam.mx/simposio2008/sm_2008/memorias/m1/sm2008-m108-1050.pdf

Universidad de Granada. (Octubre de 2015). Universidad de Granada.Obtenido

de http://www.ugr.es/~pittau/FISBIO/t5.pdf

Villalaz, C. C. (2014).Mcanica de suelos y cimentaciones.Mxico: Limusa.

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