Laboratorio

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo monográfico presenta un análisis detallado de los temas de tensión superficial y capilaridad; 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.

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.

TENSIÓN SUPERFICIAL

Una molécula en el interior de un líquido está sometida a fuerzas de atracción en todas las direcciones, siendo la resultante de dichas fuerzas igual a cero. Sin embargo, una molécula situada en la superficie de un líquido se ve sometida a una fuerza de cohesión neta perpendicular a la superficie y hacia el interior del fluido. Como se necesita realizar un trabajo para mover una molécula del interior hacia la superficie, en contra de dicha fuerza de cohesión neta, las moléculas superficiales tienen más cantidad de energía mecánica que las moléculas del interior del líquido. La superficie se comporta como una capa especial del fluido con propiedades elásticas debido a las fuerzas de cohesión entre las moléculas de la superficie.

Desde el punto de vista energético, se define "tensión superficial" de un líquido como el trabajo que se debe realizar para traer suficientes moléculas desde el interior del fluido hacia la superficie, para formar una nueva unidad de área en dicha superficie.

Desde el punto de vista elástico, la tensión superficial es una fuerza de estiramiento, esto es, la fuerza elástica transversal por unidad de longitud de la capa superficial del líquido.

Las dimensiones físicas de la tensión superficial son y sus unidades en el S.I. son N/m.

Un poco de teoría

La tensión superficial puede definirse como la fuerza que ejerce un líquido sobre una determinada superficie debido a la existencia de una atracción no compensada hacia el interior del mismo sobre las moléculas individuales de la superficie. Es la forma en que se refleja la cohesión entre moléculas en un líquido.

La tensión superficial depende de la naturaleza del mismo, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido.

Ahora vamos a determinar de forma cualitativa, la resultante de las fuerzas de interacción sobre una molécula que se encuentra en:

A, el interior del líquido

B, en las proximidades de la superficie

C, en la superficie

En el caso A, la molécula considerada (punto rojo) se encuentra en el seno de un líquido en equilibrio. La resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las moléculas (en color amarillo) que la rodean, será nula.

En el caso B, la molécula cuestión estará sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido.

En el caso C, la resultante de las fuerzas de interacción es mayor que en el caso B.

Las fuerzas de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del líquido.

Como todo sistema mecánico tiende a cumplir la ley del menor esfuerzo. Según esta ley, los procesos en la naturaleza se realizan de forma tal que siempre exista un mínimo de alguna cantidad física.

MÉTODO EXPERIMENTAL:

El dispositivo experimental se muestra en la figura. Se inyecta con cuidado aire por el tubo A, las burbujas formadas en el capilar C se desprenden ascendiendo hasta la superficie del vaso. El manómetro

M mide la sobrepresión requerida para formar la burbuja.

Para inyectar aire se emplea un embudo E lleno de agua, con una llave L que se abre muy poco. El agua que cae del embudo va llenando el matraz K y el aire desalojado sale hacia el dispositivo.

Calculamos la presión en el interior y en el exterior de la burbuja en el momento en el que se desprende:

Presión exterior:

La

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