Tensión Superficial. Capilaridad

Complemento del Capítulo 1: Hidrostática
TENSIÓN SUPERFICIAL y CAPILARIDAD
La superficie de un líquido en reposo, se comporta como una membrana que se alarga
bajo tensión. Por ejemplo, una gota de agua en el extremo de un grifo que gotea adquiere
una forma casi esférica, como si fuera un pequeño globo lleno de agua. Una aguja de
acero puede flotar sobre la superficie del agua, aun siendo más densa que el agua. La
superficie del líquido actúa como si estuviese bajo tensión, siendo esta paralela a la
superficie, surgiendo este fenómeno de las fuerzas de cohesión entre las moléculas del
líquido. A este fenómeno (o a su cantidad) se lo denomina Tensión Superficial , que se
define como la fuerza por unidad de longitud que actúa perpendicular a cualquier línea
o corte en la superficie de un líquido.
En la figura 1, se representa una línea imaginaria de longitud AB,
trazada sobre la superficie de un líquido. Las moléculas situadas en la
línea están accionadas por fuerzas perpendiculares a la línea, del mismo
modo que la membrana tensa de un tambor.
Para comprenderlo, consideremos el sencillo dispositivo de la figura 2 que se utiliza para
determinar la Tensión Superficial  y que consiste en un marco metálico en forma de U y
con una parte móvil, que encierra una delgada película de líquido. A medida que este
último se va desplazando (a tu derecha), la fuerza crece hasta un valor máximo, debido a
que la fuerza producida por la película es paralela a ella. Nótese que al correr la parte
móvil, a cada lado del alambre se forma una película, por lo tanto la longitud
(la
longitud de la película tensa es dos veces la del alambre), entonces:
La temperatura tiene un considerable efecto en el valor
de la tensión superficial.
Debido a la tensión superficial algunos insectos logran caminar sobre el agua como
muestra la figura 3
Los objetos se hunden ligeramente en el fluido, de modo que la tensión superficial soporta
el peso de los mismos como se ve en la figura 4.
Los jabones y los detergentes tienen el efecto de disminuir la tensión superficial del agua.
Esta propiedad es deseable para lavar y limpiar ya que la alta tensión superficial del agua
impide que esta penetre en las fibras del material y en los pequeños intersticios. Las
sustancias que reducen la tensión superficial de un líquido se llamar surfacantes.
La tensión superficial también desempeña un papel importante en el fenómeno llamado
capilaridad.
Es común observar que el agua en un recipiente de vidrio se eleva ligeramente en la zona
de contacto con el vidrio. Se dice que el agua moja el vidrio.
En cambio, el mercurio se hunde en igual circunstancia y se dice que no moja el vidrio.
Si el líquido moja o no moja a la superficie sólida del recipiente que lo contiene, es
consecuencia de la resistencia relativa de las fuerzas de cohesión entre las moléculas del
líquido comparadas con las fuerzas de adhesión entre las moléculas del líquido y las del
sólido del recipiente.
En tubos con diámetros muy pequeños se observa que los líquidos suben o bajan
respecto del nivel del líquido que los rodea. Este fenómeno se llama Capilaridad y los
tubos delgados se llaman capilares. El hecho de que el líquido suba o baje, depende de las
intensidades de las fuerzas relativas de adhesión y de
cohesión. La cantidad real de la elevación (o
descenso) depende de la tensión superficial, que es
lo que impide que la superficie del líquido se rompa.
En la figura 5,  es el ángulo de contacto, y en la
figura 6 se muestran dos tubos y en ampliación, la
altura a la que asciende un líquido que moja.
El líquido asciende por el interior del tubo hasta que la fuerza debida a la tensión
superficial resulta igual al peso del líquido elevado.
Siendo
El peso del líquido elevado es
Por lo tanto
Puede observarse que si el ángulo de contacto supera 90 º, el coseno es negativo, caso en
el cuál el líquido desciende por el interior del tubo.
Ejercicio 1: La base de la pata de un insecto es esférica aproximadamente, con un radio de
2.10-5 m. La masa de 0,0030 g del insecto es soportada en partes iguales por sus seis
patas. Estime el ángulo de contacto para un insecto sobre la superficie del agua a 20ºC.
R: 57º
Ejercicio 2: El tubo de un barómetro de mercurio tiene 3 mm de diámetro. ¿Qué error
introduce en las lecturas la tensión superficial? El ángulo de contacto es de 128 º (de
tablas)
R: Lectura inferior a la correcta
Solución Ej 1:
Si el coseno del ángulo fuese mayor que 1, la tensión superficial no sería suficiente para
soportar el peso del insecto. (Se ha despreciado la fuerza de flotación).
Solución Ej 2:
= 0,44 N / m; cos 128º= -0,616; D= 3 mm ; mercurio = 13600 Kg/m3
=