INTRODUCCIÓN
El presente informe tiene por objetivo describir los fenómenos de
capilaridad y tensión superficial de los líquidos, dichos fenómenos tienen
aplicación en la industria, como en la naturaleza.
La temperatura como la naturaleza de los medios que limitan entre si,
influyen en el valor del coeficiente de la tensión superficial, es decir, a medida que
la temperatura aumenta, el coeficiente de tensión superficial disminuye y
viceversa.
EL COEFICIENTE DE TENSIÓN SUPERFICIAL
(Método de Rayleigh)
OBJETIVO
Tener claridad del fenómeno físico, denominado tensión superficial, donde
determinaremos el coeficiente de tensión superficial de ciertos líquidos, según al
método de Rayleigh.
MATERIALES
- Vernier o regla
- Termómetro hasta 100° C
- Densímetro
- Vaso de pirex.
- Capilar
- Líquidos (agua, ron, alcohol)
FUNDAMENTO TEÓRICO
TENSIÓN SUPERFICIAL
Un líquido que fluye lentamente por el extremo de un cuenta gotas
medicinal no lo hace en forma de chorro continuo; sino con una sucesión de gotas.
Una aguja de coser, colocada cuidadosamente sobre la superficie una pequeña
depresión y permanece en reposo sin hundirse, aunque su densidad sea 10 veces
mayor que la de agua. Cuando un tubo limpio de vidrio, de pequeño calibre, se
introduce en el agua, esta asciende por el tubo, pero si se sumerge en mercurio
desciende. Todos estos fenómeno y muchos otros de naturaleza similar están
asociada con la existencia de una superficie limitada entre un líquido y cualquier
otra sustancia.
Todos los fenómenos superficiales que la superficie de un líquido puede
considerarse un estado de esfuerzo tal que, si se considera cualquier línea situada
sobre ella o que la limite, la sustancia que se encuentra a un lado cualquiera de
dicha línea ejerce una tracción sobre la sustancia situada al otro lado. Esta
tracción se ejerce en el plano de la superficie y es perpendicular a la línea.
La tensión superficial en la película se define como la razón de la fuerza
superficial a la longitud (perpendicular a la fuerza) a lo largo de la cual actúa. Por
tanto, en este caso.
La unidad SI de tensión superficial es el Newton por metro (1N.m-1) aunque
esta unidad no es de uso común; la unidad es la del sistema cgs, la dina por
centímetro (1 din.cm-1). El factor de conversión es:
1N.m-1 = 1000 din.cm-1
TABLA DE VALORES DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL
Líquido en contacto
con el aire
Temperatura
Cº
Tensión superficial
din. cm-1
Aceite de oliva
Agua
Agua
Agua
Alcohol etílico
Agua
Benceno
Glicerina
Mercurio
20
0
20
60
20
100
20
20
20
32.0
76.6
72.8
66.2
22.3
58.9
28.9
63.1
465
La tensión de un líquido en contacto con su propio vapor o con el aire
depende sólo de la naturaleza del líquido y de la temperatura. Normalmente, la
tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura. Los valores de tabla
confirman este comportamiento para el agua.
Una superficie sometida a tensión tiende a contraerse hasta ocupar el área
mínima se compatible con los límites de la superficie y con las diferencias de
presiones en las caras opuestas de la misma. Por ejemplo, una gota de líquido no
sometida a fuerzas externas, o en caída libre en el vacío tiene siempre forma
esférica porque, para un volumen dado, la esfera tiene menor área que cualquier
otra forma geométrica.
CAPILARIDAD
Elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto
con un sólido, por ejemplo, en las paredes de un tubo. Este fenómeno es una
excepción a la ley hidrostática de los vasos comunicantes, según la cual una masa
de líquido tiene el mismo nivel en todos los puntos; el efecto se produce de forma
más marcada en tubos capilares (del latín capillus, 'pelo', 'cabello'), es decir, tubos
de diámetro muy pequeño.
La capilaridad, o acción capilar, depende de las fuerzas creadas por la
tensión superficial y por el mojado de las paredes del tubo.
Si las fuerzas de adhesión del líquido al sólido (mojado) superan a las
fuerzas de cohesión dentro del líquido (tensión superficial), la superficie del líquido
será cóncava y el líquido subirá por el tubo, es decir, ascenderá por encima del
nivel hidrostático. Este efecto ocurre por ejemplo con agua en tubos de vidrio
limpios. Si las fuerzas de cohesión superan a las fuerzas de adhesión, la superficie
del líquido será convexa y el líquido caerá por debajo del nivel hidrostático. Así
sucede por ejemplo con agua en tubos de vidrio grasientos (donde la adhesión es
pequeña) o con mercurio en tubos de vidrio limpios (donde la cohesión es grande).
La absorción de agua por una esponja y la ascensión de la cera fundida por
el pabilo de una vela son ejemplos familiares de ascensión capilar. El agua sube
por la tierra debido en parte a la capilaridad, y algunos instrumentos de escritura
como la pluma estilográfica (fuente) o el rotulador (plumón) se basan en este
principio.
CapilaridadLa capilaridad de los líquidos se debe a que la atracción de sus
moléculas por la superficie con la que están en contacto (adhesión) es
mayor o menor que la atracción que experimentan entre ellas mismas
(cohesión). Las moléculas de agua, por ejemplo, se atraen menos entre sí
de lo que son atraídas por el vidrio, por lo que el agua asciende por un tubo
de vidrio delgado sumergido en un recipiente con agua. Las moléculas de
mercurio, en cambio, se atraen más entre sí de lo que atraen al vidrio, por
lo que el mercurio baja por un tubo de vidrio delgado sumergido en un
recipiente con mercurio.
(1)
(2)
En la formación de las gotas podemos partir del análisis de la dinámica
presente en la formación de la gota que se desprende de un tubo cilíndrico,
de radio R y que el liquido tiene un coeficiente de tensión superficial “a”.
Mientras la gota no se ha desprendido, ella toma una forma tal, que la
componente vertical de la fuerza de tensión superficial equilibra con el peso
de la gota. La componente vertical de la fuerza de tensión superficial
alcanza su valor máximo en el instante justamente antes de que se
desprenda la gota, en el momento de desprenderse se sujeta a la
condición.
T = a . l
T – W = 0
a . l = mL . g
a . 2πr = ρL . r2 . h . g
a = ρL. r . h . g 2
donde:
a = coeficiente de tensión superficial del líquido
m = masa del líquido
r = radio de la punta del capilar
ρL = densidad del líquido
g = gravedad
h = altura que llega el líquido en el capilar
l = perímetro de la punta del capilar (2πr)
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. en un vaso precipitado echamos 400ml de agua
2. medimos el radio de la punta del capilar
3. medimos la densidad del liquido con un densímetro.
4. luego sumergimos verticalmente un capilar; levantamos, limpiamos y lo
colocamos horizontalmente, para luego medir la longitud o la altura (h) que
llego el agua en el capilar.
5. calculamos 5 veces la altura que llega el agua y sacamos un promedio; lo
mismo hacemos con el radio.
6. luego hacemos nuestras respectivas anotaciones para calcular la tensión.
7. repetimos los pasos anteriores para otro liquido (ron, alcohol)
RON AGUA ALCOHOL
capilarVaso
precipitado
capilar
DATOS Y RESULTADOS:
Hallando el coeficiente de tensión superficial (a): con la ec. (2)
H 2O:
a H2O = 1 g/cm3. 0.05cm . 3.09cm . 978cm/s2
2
a H2O = 75.79 g/s2
Alcohol:
a alcohol = 0.88g/cm3. 0.05cm . 1.588cm . 978cm/s2
2
a alcohol = 34.17 g/s2
Ron:
a ron = 0.875g/cm3. 0.05cm . 1.66cm . 978cm/s2
2
a ron = 35.51 g/s2
Hallando la tensión (T): con la ec. (1)
H2O:
T H2O = 75.79 g/s2 . 2(3.14). 0.05cm
T H2O = 23.79 g.cm/s2
T H2O = 23.79 g .cm x 1Kg x 1m = 2.379 x 10-4 N s2 1000g 100cm
Alcohol:
T alcohol = 34.17 g/s2 . 2(3.14). 0.05cm
T alcohol = 10.72 g.cm/s2
T alcohol = 10.72 g .cm x 1Kg x 1m = 1.072 x 10-4 N s2 1000g 100cm
Ron:
T ron = 35.51 g/s2 . 2(3.14). 0.05cm
T ron = 10.15 g.cm/s2
T ron = 10.15 g .cm x 1Kg x 1m = 1.015 x 10-4 N s2 1000g 100cm
TABLA
LiquidoN°
H2O Alcohol Ron a H2O
(g/s2)a Alcohol
(g/s2)a Ron
(g/s2)ρ(g/cm3)
h(cm)
r(cm)
ρ(g/cm3)
h(cm)
r(cm)
ρ(g/cm3)
h(cm)
r(cm)
1 1 3.1 0.05 0.88 1.5 0.05 0.875 1.6 0.05 75.79 32.27 34.23
2 1 3.15 0.05 0.88 1.6 0.05 0.875 1.6 0.05 77.02 34.42 34.23
3 1 2.9 0.05 0.88 1.55 0.05 0.875 1.7 0.05 70.90 33.34 36.36
4 1 3.2 0.05 0.88 1.68 0.05 0.875 1.68 0.05 78.24 36.14 35.94
5 1 3.1 0.05 0.88 1.61 0.05 0.875 1.5 0.05 75.79 34.64 32.09
1 3.09 0.05 0.88 1.588 0.05 0.875 1.66 0.05 75.55 34.17 35.51
CONCLUSIONES:
Concretamente, la tensión superficial es la fuerza por unidad de longitud
de cualquier línea recta de la superficie líquida que las capas
superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una
sobre otra.
La tensión es el resultado de las fuerzas moleculares, que ejercen una
atracción no compensada hacia el interior del líquido sobre las
moléculas individuales de la superficie.
La tensión superficial es importante en condiciones de ingravidez; en los
vuelos espaciales, los líquidos no pueden guardarse en recipientes
abiertos porque ascienden por las paredes de los recipientes.
Se puede llegar a la conclusión que en la Tensión Superficial existen
fuerzas las cuales tienen sus componentes, en éste caso la componente
vertical alcanza su valor máximo justo un instante antes de que se
desprenda la gota de la punta de la bureta.
La temperatura como la naturaleza de los medios que limitan entre si,
influyen en el valor del coeficiente de la tensión superficial, es decir, a
medida que la temperatura aumenta, el coeficiente de tensión superficial
disminuye y viceversa.
La densidad y la gravedad son propiedades que intervienen para poder
hallar el coeficiente de tensión superficial.
Si no existiera la tensión superficial, los fenómenos de capilaridad no se
dieran, ya que la tensión superficial en los líquidos hace que éstos
tengan un comportamiento particular dependiendo del líquido, cuando
se encuentran en un capilar.
RECOMENDACIONES:
Coger con mucho cuidado el capilar ya que es un instrumento muy
frágil.
Tener los materiales y el área de trabajo limpio, evitando recargar su
sitio con material innecesario.
Tener siempre su texto de consulta, estar atento, observar y pensar en
lo que se va a realizar en la practica.
Al ingresar al laboratorio a realizar las experiencias tener presente que
es un lugar de TRABAJO que demanda mucha atención, orden y
responsabilidad.
No se debe realizar ninguna experiencia sin comprender bien la finalidad
del experimento, antes de entrar a realizar su experimento del
laboratorio debe estar perfectamente enterado de lo que se tiene que
hacer y observar cualquier precaución en general.
BIBLIOGRAFÍA
FÍSICA – J. Gómez F.
FÍSICA I – Alonso-Finn
Biblioteca de consulta Microsoft Encarta 2003
Manual de Laboratorio de Física General – Departamento Académico de
Física (UNMSM)
CUESTIONARIO
1. ¿Influye la tensión superficial en los fenómenos capilares? Explique.
Un fenómeno importante originado por la tensión superficial es la
elevación de un líquido en un tubo abierto de pequeña sección. El término
capilaridad, utilizado para describir fenómenos de este tipo, procede de
llamar "capilares" a tales tubos, o "análogos a cabellos". En el caso de un
líquido que moja al tubo, el ángulo de contacto es menor que 90 y el líquido
sube hasta alcanzar una altura de equilibrio y, la superficie curva del líquido
en el tubo se denomina menisco.
La capilaridad es muy importante en diversos procesos vitales, un
ejemplo familiar es la elevación del agua desde la raíces de las plantas a
las hojas, debida en parte a la capilaridad y en parte a la presión osmótica
producida por las raíces.
2. ¿Depende la tensión superficial de la temperatura? Explique.
El coeficiente de la tensión superficial depende de la naturaleza de
los medios que limitan entre si y la temperatura, se expresa en Newton por
metros (N/m).
A medida que se eleva la temperatura, la diferencia entre el líquido y
su vapor saturado va desapareciendo poco a poco y la temperatura crítica
desaparece totalmente. Respectivamente el coeficiente de tensión
superficial para el límite "líquido-vapor saturado" disminuye al elevarse la
temperatura y se anula a la temperatura crítica.
3. ¿Cuándo "a" será igual a cero?
La tensión superficial de un líquido disminuye conforme aumenta la
temperatura y se hace muy pequeña unos cuantos grados por debajo de la
temperatura crítica. Es de cero a la temperatura crítica.
4. El coeficiente de tensión superficial ¿Cómo depende de la densidad?
El coeficiente de tensión superficial depende de la densidad; va
depender de la forma de caigan las gotas (lento - rápido), de menor o de
mayor densidad y la relación se da a mayor densidad, mayor tensión
superficial, además la capilaridad es proporcional a la tensión superficial y
la capilaridad es inversamente proporcional a la densidad.
5. ¿Cómo está relacionado el coeficiente de tensión superficial con la
viscosidad?
Se llama viscosidad o frotamiento interno, a la resistencia
experimentada por una porción de un líquido cuando se desliza sobre otra,
y la tensión superficial de líquidos es la fuerza de borde de la película que
se opone a la expansión de la superficie.
La relación esta dada por la fuerza con que el líquido se desplaza
hacia abajo es decir la tensión superficial depende de la viscosidad del
líquido y estos a la vez va a depender de la densidad.
6. De cinco ejemplo de aplicación práctica del fenómeno de tensión
superficial, en el campo de la ciencia y la tecnología.
- Un bucle de hilo está sujeto a un anillo de alambre, según se indica.
Cuando el anillo y el hilo se introducen en una solución jabonosa y se
sacan, se forma una delgada película de líquido en la que el hilo "flota"
libremente. Si se pincha el interior del bucle de hilo, éste toma forma
circular, como si las superficies del líquido tiraran radialmente hacia afuera.
- Algunos líquidos como el agua mojan las paredes de un tubo capilar de
vidrio, mientras que otros como el mercurio no se adhieren. Cuando un
líquido moja el tubo, el líquido adherido a las paredes va arrastrando al
cuerpo del líquido hacia arriba. Pero, cuando el líquido no se adhiere, éste
es empujado hacia abajo. En el primer caso la superficie libre del líquido es
cóncava, mientras que en el segundo caso es convexa.
- Una hojita de afeitar o una aguja si se coloca con precaución sobre el agua
estos flotan, la condición para que flote es peso específico menor que el
líquido sin embargo que la del acero es mayor que la del agua.
- Flotación de minerales atomizados.
- El poder limpiador del jabón y otros detergentes producen grandes cambios
en la superficie del líquido, donde las partículas de grasa o suciedad de
carácter no polar, no atraviesan la superficie del agua pura.
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