Tensión superficial

Mecánica de fluidos. Efectos de superficie. Gota y burbuja. Presión. Capilaridad. Líquidos

  • Enviado por: Gismo
  • Idioma: castellano
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“TENSIÓN SUPERFICIAL”

Tensión superficial, condición existente en la superficie libre de un líquido, semejante a las propiedades de una membrana elástica bajo tensión. 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; esto se refleja en la considerable curvatura en los bordes donde el líquido está en contacto con la pared del recipiente. 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 tendencia de cualquier superficie líquida es hacerse lo más reducida posible como resultado de esta tensión, como ocurre con el mercurio, que forma una bola casi redonda cuando se deposita una cantidad pequeña sobre una superficie horizontal. La forma casi perfectamente esférica de una burbuja de jabón, que se debe a la distribución de la tensión sobre la delgada película de jabón, es otro ejemplo de esta fuerza. La tensión superficial es suficiente para sostener una aguja colocada horizontalmente sobre el agua. Véase también Capilaridad.

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.

Tensión superficial.

En el bien conocido experimento en que se demuestra que el acero puede flotar, se coloca cuidadosamente una aguja o una hoja de afeitar sobre la superficie del agua contenida en un vaso. Este experimento es una excelente demostración de la propiedad de los fluidos conocida como tensión superficial . Se sabe que la superficie libre de fluidos está sometida a un estado de esfuerzo, de manera que si por ella se trazase una línea imaginaria, existiría una fuerza de cada lado de la línea.

La magnitud de esta fuerza puede medirse por la fuerza necesaria para elevar de la superficie del líquido un anillo de alambre, como se ilustra en la fig. 1. Si S es la tensión superficial del líquido a ambos lados del alambre, como se muestra en la figura 1, la fuerza total F, requerida para levantar el alambre, será:

F =  D * 2S

En donde D es el diámetro del anillo. Por consiguiente, la tensión superficial S estará dada por:

S = F / 2 D

Tensión superficial

Fig. 1

Dispositivo empleado para medir tensión superficial

La tensión superficial de un líquido e función únicamente de la temperatura, si la superficie está expuesta ya sea aire o su propio vapor. La tensión superficial de varios líquidos depende de la substancia en contacto con el líquido. Por ejemplo, la tensión superficial del mercurio, en contacto con el aire, es de 0.482 Kg/m; pero disminuye a 0.402 Kg/m, aproximadamente, cuando el mercurio está en contacto con el agua. Se ha medido la tensión superficial en diferentes líquido, en contacto con otros líquidos o con su propio vapor ó el aire. El fenómeno de la tensión superficial hace que los líquidos en contacto con sólidos formen cierto ángulo  con la superficie, como se muestra en la figura 2, al que se denomina ángulo de contacto.

Tensión superficial
Tensión superficial

(a)

Ángulos de contacto de un líquido con la superficie: a) ángulo de contacto > 90°, el líquido no moja la superficie. B) ángulo de contacto <90°, el líquido moja la superficie.

Efectos de la superficie

Anteriormente hicimos una pequeña reseña de la tensión superficial.

En la mayoría de los problemas de hidrostática, su efecto puede considerarse insignificante; pero existen otros en los que la tensión superficial tiene un papel predominante. En esta sección, analizaremos dos de ellos: la formación de burbujas y la capilaridad, para ilustra los métodos para analizar los problemas de tensión superficial en general. Pacientemente, se le ha dado especial atención a la formación y el desarrollo de burbuja, debido al fenómeno de ebullición en campos gravitacionales nulos que se han encintrado en vuelos espaciales.

El tamaño de una gota y una burbuja.

Una gota de líquido en el aire tendrá una forma esférica si no sufre los efectos de resistencia producidos por el movimiento. El mecanismo que mantiene unida a la gota y le da forma esférica es a la tensión superficial. Como es de esperar, la tensión superficial tiende a hacer que la presión del líquido dentro de la gota sea mayor que la del aire que la rodea. Es fácil determinar la relación que existe entre la presión interna de la gota y la tensión superfial. En la fig. 3, se muestra la mitad de una gota esférica, así como las fuerzas que actúan sobre ella. La tensión superficial actúa a lo largo de la periferia del área circular A, u origina una fuerza dirigida hacia la izquierda, es decir:

Ft.s. = S * 2R

Tensión superficial

fig. 3

Fuerzas ejercidas sobre una gota

La presión ejercida en la superficie A es igual a la presión interna, P, de la gota y la fuerza de presión en A es PR². La fuerza ejercida en dirección horizontal es Pa * proyección de S = Pa * R². El equilibrio de las fuerzas conduce a la ecuación:

PR² = PaR² + S1.g. * 2R

Por lo tanto:

P - Pa = 2 S1.g. / R

Tensión superficial

fig. 4 fuerzas que actúan en una burbuja

Otro ejemplo interesante de los efectos de la tensión superfial son las burbujas de jabón, cuyas caras, la interna y la extrema, están en contacto con el aire. En la fig. 4 se muestra la sección hemisférica de una burbuja. Las fuerzas que actúan sobre el hemisferio son las mismas que las de una gota, sólo que, ahora, la fuerza de la tensión superficial es 2 * S1.g. * 2R, debido a que se trata de dos superficies. Pro lo tanto, la ecuación de la diferencia de presiones es:

P - Pa = 4S1.g. / R = (burbuja del jabón)

Tensión superficial

fig. 4

Ascenso de un líquido en un tubo

Capilaridad.

El fenómeno de ascenso o descenso de un líquido en un tubo capilar recibe el nombre de capilaridad, que ya se mencionó. . Veamos la columna de un líquido como el agua, que asciende por un tubo capilar. En la fig. 5 se ilustra un caso típico. La superficie del líquido forma un ángulo  con las paredes del tubo que, como se dijo en el primer capítulo, recibe el nombre de ángulo de contacto. La fuerza de tensión superficial ejercida sobre el líquido tiene una dirección  y, por consiguiente, la resultante vertical de dicha fuerza es:

Ft.s., vert = 2R * S1.g. * cos

Esta fuerza queda contrarrestada por el peso del fluido, que puede determinarse de:

PgR²h

De donde:

PgR²h = 2R* S1.g. * cos

Despejando, tenemos:

H = 2S1.g. cos / pgR

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