Transparencias

Fenómenos de superficie
- Una diferencia fundamental entre gases y líquidos es la existencia de
una superficie libre en éstos.
- Gran variedad de fenómenos físicos están asociados a la existencia de
esta superficie, y que se explican a partir de las propiedades contractiles
de ésta.
- Este estado de tensión de la superficie libre del líquido tiende a reducir
el área de ésta a un valor mínimo compatible con los vínculos y con las
fuerzas externas.
- Las gotas de lluvia o las burbujas de aire en
el interior de un líquido tiende a tomar la
forma que ofrece una superficie mínima,
esférica.
Una aguja de coser (a pesar de que su
densidad es mayor que la del agua) o un
insecto pueden flotar en el agua
- Cuando sumergimos parcialmente en agua
un tubo de vidrio, limpio y de pequeño calibre,
el agua asciende en su interior, pero si lo
sumergimos en mercurio, el líquido desciende
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Contacto entre varias fases
• Cada porción homogénea de un sistema heterogéneo
recibe el nombre de fase
• La superficie de contacto o interfasial entre dos fases es
la superficie de separación entre las fases del sistema.
• Aquí nos interesan todas las superficies interfasiales
excepto la sólido-sólido.
• Cuando se encuentra a la vez tres fases, p. ej. , cuando
se deposita una gota de mercurio sobre una lámina de
cristal en el aire, existe una línea de contacto entre las
tres fases, en nuestro ejemplo, la línea de contacto es el
contorno común a las tres superficies interfasiales.
Fuerzas intermoleculares. Cohesión
• Las moléculas de los líquidos no oscilan respecto a posiciones
fijas, como ocurre en los sólidos, sino que gozan de cierta libertad
de movimiento.
• Las distancias entre moléculas son lo suficientemente pequeñas
como para que se ejerzan fuerzas atractivas de cohesión entre las
moléculas.
• Como resultado de tales fuerzas, el líquido ocupa un volumen
determinado, aunque su forma sea la del recipiente que lo
contiene.
• En los gases, las fuerzas de cohesión son muy pequeñas porque
las distancias intermoleculares son muy grandes, de modo que los
gases tiende a ocupar todo el espacio del que dispongan.
• La existencia de fuerzas de cohesión en los líquidos determina la
existencia de una superficie libre y de los fenómenos asociados a
ella.
• Las fuerzas intermoleculares son de naturaleza electromagnética.
Aunque las moléculas sean eléctricamente neutras, cuando dos
moléculas se encuentran separadas una distancia suficientemente
pequeña, sus distribuciones de carga se alternan, lo que da lugar
a la aparición de una fuerza neta, atractiva o repulsiva, entre
ambas.
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•La intensidad de las fuerzas intermoleculares varía con
la distancia.
• La fuerza repulsiva
intermolecular es la
responsable de la
impenetrabilidad de la
materia (de que una molécula
pueda atravesar a otra).
• En cualquier caso las fuerzas
intermoleculares son de corto
alcance, como máximo
algunos radios moleculares,
• El efecto de las fuerzas de
cohesión sólo es perceptible
a una distancia r, que
llamaremos radio de acción
molecular, que es del orden
de 10 A.
Consideremos la molécula O1 en el interior del líquido, alejada de la
superficie libre del mismo. Todas las moléculas contenidas dentro del
radio de acción de O1, ejercerán fuerzas atractivas sobre ella, pero,
como consecuencia de la homogeneidad del líquido, la distribución de
fuerzas será isotrópica, y por tanto la resultante sobre O1 será nula.
Las fuerzas de atracción intermoleculares ejercerán una presión a
través de la esfera de acción molecular; cada capa esférica, al ser
atraída por O1, comprimirá a las moléculas contenidas en capas más
interiores, lo que da lugar a cierta presión interna dentro del líquido.
La situación es diferente para una molécula como la O3, situada en la
superficie del líquido. En estas condiciones, habrá más moléculas
atrayendo a O3 hacia el interior del líquido que las que la atraen hacia
fuera.
O3
O1
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- La distribución anisotrópica de las fuerzas de atracción intermoleculares
sobre estas moléculas cercanas a la superficie libre del líquido origina la
existencia de una fuerza neta sobre éstas, dirigidas hacia el interior del líquido,
tanto más intensa cuanto más cercana se halle la molécula a la superficie.
- Para llevar una molécula desde el interior del líquido hasta la superficie libre
del mismo hay que realizar un trabajo contra la fuerza resultante que actúa
cuando la molécula se acerca a la superficie.
- Las moléculas de la superficie tienen mayor energía potencial que las
situadas en el interior del mismo. La energía potencial de todas las moléculas
que constituyen la superficie libre del líquido, debida a las fuerzas atractivas
que sobre ellas ejercen las moléculas subyacentes es la energía superficial.
- La energía potencial tiende a alcanzar un valor mínimo, que corresponde a la
situación de equilibrio, i.e., cualquier cambio espontáneo tiende a disminuir esa
energía.
- Por tanto, la energía superficial tiende a tomar el valor más bajo, de modo
que la superficie libre del líquido tiende a ser la menor posible, y esta
disminución ocurrirá efectivamente, salvo que a ella se opongan otras fuerzas.
La contracción tendrá lugar mediante el paso de las moléculas superficiales
hacia el interior del líquido. El resultado es la aparición de una fuerza o tensión
en la superficie libre del líquido que tiende a contraerla.
Tensión superficial
•
•
Sea un dispositivo formado por un alambre
en forma de U, por el que desliza un
segundo alambre de longitud l.
El dispositivo se introduce en una disolución
jabonosa, y al sacarlo, el deslizador (siempre
que su peso F1 no sea demasiado grande)
es rápidamente desplazado hacia la parte
superior de la U.
Para mantenerlo en equilibrio es necesario
aplicar una segunda fuerza F2. La misma
fuerza total F= F1+ F2 mantendrá el alambre
en reposo, cualquiera que sea el área de la
lámina líquida, siempre que ésta
permanezca a temperatura cte.
La película jabonosa está formada por un volumen de líquido limitado por dos capas
superficiales, cuyo espesor es el de algunas moléculas.
Cuando se tira hacia abajo de la varilla transversal, algunas moléculas del interior de
la masa líquida, han pasado a las capas superficiales.
Puesto que la película tiene dos caras, la longitud total donde actúa la fuerza
superficial es 2l. La tensión superficial, γ, en la película se define como la razón de la
fuerza superficial a la longitud (normal a la fuerza) a lo largo de la cual actúa.
γ = F/2 l
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• Un alambre circular de longitud l, es extraído de una masa líquida.
• La fuerza adicional F necesaria para equilibrar las fuerzas
superficiales, γl una a cada lado (anillo interno y externo), se mide
por la tensión que aparece en un resorte o por la torsión de un
hilo.
• La tensión superficial es
γ=
Fuerza sup erficial
F
=
longitud s obre la que actúa 2l
Fuerza superficial que actúa a lo largo de
cualquier línea en una superficie del
fluido, por unidad de longitud sobre la que
actúa
La tensión superficial de un líquido en contacto con su propio vapor o con
el aire sólo depende de la temperatura y de la naturaleza del líquido.
Normalmente la tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura
(ya que disminuye la fuerza de cohesión).
La unidad de tensión superficial en el SI es el N/m, aunque se usa la del
sistema cgs, dina/cm.
Ejercicio: Comprobar que 1 N/m =1000 dinas/cm.
Contacto sólido-líquido-vapor.
Ángulo de contacto
• Menisco: En las proximidades de una pared sólida, la superficie de un
líquido suele presentar cierta curvatura adyacente al sólido.
γSv
• γSV de la lámina sólido-líquido.
• γSV de la lámina sólido-vapor
• γLV de la lámina líquido-vapor.
• En un punto de la línea de contacto, (definido por la intersección de las
tres superficies interfasiales) concurren 4 fuerzas, las tres tensiones
superficiales y la llamada fuerza de adherencia, Fa. En condiciones de
equilibrio
Fa= γLv senθ
γSv-γSL = γLv cosθ
El ángulo θ es el ángulo de contacto. Constituye una medida de la
curvatura libre del líquido adyacente a la pared.
Su valor depende de γSv-γSL.
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• Cuando γSv>γSL, cosθ>0, lo que corresponde a un ángulo de contacto
entre 0 y 90º. En estas condiciones se dice que el menisco es
cóncavo, y que el líquido moja a la pared, pero sólo la moja
perfectamente cuando θ= 0.
• Cuando γSv≈γSL, cosθ≈0 y θ≈90º.
• El valor del ángulo de contacto depende de la naturaleza del líquido y
la pared.
• Las adulteraciones o impurezas presentes o añadidas a los líquidos
pueden alterar el valor del ángulo de contacto.
• los detergentes y humectantes, que al ser añadidos a un líquido,
puede modificar el valor del ángulo de contacto desde valores
grandes (>90º) hasta valores pequeños (<90º).
• Los agentes impermeabilizantes, que al ser añadidos a un tejido
hacen que el ángulo de contacto del agua con el mismo sea superior
a 90º, y por tanto hacen que el agua no moje al tejido.
Impermeabilizante: no moja
θ
Detergente: moja
θ
Capilaridad. Ley de Jurin
• Un fenómeno importante asociado a la tensión superficial es la
elevación de un líquido en un tubo de sección pequeña. El término
capilaridad se utiliza para describir este fenómeno (capilar≈
análogo a cabello).
• En el caso de un líquido que moja la tubo, el ángulo de contacto es
menor de 90º, y el líquido se eleva hasta alcanzar una altura de
equilibrio h.
• Si el líquido no moja, el ángulo de contacto es maor que 90º, y el
líquido experimenta un descenso dentro del tubo.
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Si el tubo es un cilindro de radio r, el líquido está en contacto con el tubo
a lo largo de una línea de longitud 2πr. Considerando aislado el cilindro
líquido, de altura y, junto con su capa líquido-vapor, la fuerza total hacia
arriba es
F=2πr γlv cosθ
La fuerza hacia abajo es el peso del
cilindro, que es igual a ρgV, con V
aproximadamente igual a πr2h,
despreciando el pequeño volumen
del menisco, o sea, P= ρgπ r2h
Puesto que el cilindro está en
equilibrio
ρ gπ r2h= 2πr γLV cosθ
la altura del capilar es
h=
2γ LV cos θ
ρ gr
• La ley de Jurin se aplica también al caso de un descenso capilar,
que se presenta cuando el tubo capilar se sumerge parcialmente en
un líquido que no lo moja. En estas condiciones, 90º<θ< 180º, y
tendremos que cosθ <0 y h<0, lo que representa un descenso
respecto al nivel del líquido fuera del tubo capilar.
• La ley de Jurin permite determinar el valor de la tensión superficial γ
si se conoce el ángulo de contacto, a partir de la medida del
ascenso de un líquido en un tubo capilar. En realidad, el ángulo de
contacto presenta valores inciertos, de modo que la ecuación
anterior sólo es aplicable para líquidos que mojan perfectamente al
capilar (θ=0).
• Los fenómenos capilares se presentan en cualquier estructura
tubular o porosa, cualquiera que sea su geometría. El ascenso o
descenso capilar sigue siendo proporcional a 2 γlv cosθ /ρ g r, con
r alguna dimensión típica; únicamente cambiará el coeficiente
numérico (2 para el capilar cilíndrico). Así pues, el movimiento de
los líquidos por pequeños espacios entre materiales fibrosos o
porosos es también un fenómeno capilar.
• Ejemplo de ello es también la absorción del alcohol o el petróleo
por una mecha, la absorción de la tinta por papel secante, el
humedecimiento gradual y/o completo de un tejido o una esponja.
La elevación capilar del agua por los pequeños poros del suelo la
hace aflorar a la superficie; la pérdida por evaporación se retrasa
por la labranza, que suelta el suelo y reduce la acción capilar.
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