Tensión superficialTensión superficial

Módulo IIMódulo II

Las superficies líquidas

¿Se deforman?

TENSIÓN SUPERFICIAL

Experiencias en las que se manifiesta la tensión superficial

(B)(A)Anillo de alambre con un bucle flexible de hilo, introducido en una disolución de jabón: (A) antes y (B) después de perforar la película superficial del interior del bucle

EN EL ESQUEMA DE LA FIGURA AL ALAMBRE MOVIL DE PESO W1 SE LE CUELGA UN CUERPO DE PESO W2.

SIN EMBARGO SE COMPRUEBA QUE EL

ALAMBRE NO SE CAE

¿CÓMO LO EXPLICA?

• El alambre deslizante horizontal está en equilibrio bajo la acción de la fuerza superficial Fγ dirigida hacia arriba y de la tracción hacia abajo, w1+w2.

Fγ = γ x 2 LL

La extracción de un anillo de longitud L, de una interfase, requiere que se efectúe una fuerza F opuesta a la fuerza de tensión superficial Fγ . Este método se utiliza corrientemente para medir la tensión superficial.

FFγ MÁX. = γ x perímetro

• ¿Cuáles son las características de la Fuerza de Tensión Superficial?

• Tangente a la superficie de la interfase

• Se opone a la fuerza deformante tendiendo siempre a disminuir el área de la interfase

• Se aplica en todo el perímetro de la superficie deformada

• Depende fundamentalmente, de la naturaleza de las superficies en contacto

• La tensión superficial tiene como principal efecto el disminuir en lo posible la energía acumulada en las interfases.

Por ejemplo, un líquido en ausencia de gravedad adopta la forma esférica, que es la que tiene menor relación área / volumen.

Efecto de la tensión superficial

Definición del coeficiente de Tensión Superficial

El coeficiente de tensión superficial (γ) es el trabajo (W) necesario para aumentar en una unidad el área de una superficie líquida.

• El trabajo dW necesario para aumentar el área de una superficie líquida en la cantidad dA, es proporcional a ese incremento

dW α dA

• y la constante de proporcionalidad o trabajo por unidad de área, es el

COEFICIENTE de TENSIÓN SUPERFICIAL

dW = γ dA γ = dW/dA

Unidades: ergio/cm2 o dina/cm

El valor de γ depende de:

• la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido.

De esta forma, cuanto mayores sean las fuerzas de cohesión en el líquido mayor será su tensión superficial.

• la naturaleza de los medios en contacto

∀ γ disminuye con la temperatura; el aumento de la agitación térmica redunda en una mayor energía de las moléculas que en mayor proporción tienen la posibilidad de contrarrestar las fuerzas intermoleculares de cohesión.

∀ γ disminuye con la la presión; especialmente cuando una de las interfases es gaseosa.

Valores experimentales del coeficiente de tensión superficial

Líquido en contacto con aire Temperatura (ºC)Coeficientede tensión Superficial (dinas/cm)

Agua 0 75,6

Agua 20 72,8

Agua 60 66,2

Agua 100 58,9

Aceite de oliva 20 32,0

Alcohol etílico 20 22,3

Benceno 20 28,9

Disolución de jabón 20 25,0

Glicerina 20 63,1

Mercurio 20 465,0

Tetracloruro de carbono 20 26,8

Helio -269 0,1

Neón -247 5,2

Oxígeno -193 15,7

CONTACTO ENTRE FASES

Situación A:

Fase sólida: Vidrio

Fase gaseosa: Aire

Fase líquida: Agua

Situación B:

Fase sólida: Vidrio

Fase gaseosa: Aire

Fase líquida: Mercurio

Agua

Mercurio

¿Cuáles son las diferencias entre estas dos situaciones?

¿Cómo se explican?

A

B

La superficie de un líquido, en la proximidad de una pared sólida, se curva diferente según sean las relaciones entre la tensión superficial sólido-vapor γSV , sólido-líquido γSL y líquido-vapor γLV

(b) (c)(a)

¿Cuándo un líquido

“MOJA” o “NO MOJA”

la superficie de un sólido?

ÁNGULO DE CONTACTO

Es el ángulo “que contiene al líquido”. Se

forma entre la superficie del sólido y la tangente a la interfase líquido-gas en el punto de contacto

entre las tres fases (pasando por el líquido)

ÁNGULOS DE CONTACTO

Líquido Pared Ángulo de Contacto

α-bromonaftaleno (C10H7Br)

Vidrio de sosa y calVidrio de plomo

PirexCuarzo fundido

5°6°45´

20°30´21°

Ioduro de metileno (CH2I2)

Vidrio de sosa y calVidrio de plomo

PirexCuarzo fundido

29°30°29°33°

Agua Parafina 107°Mercurio Vidrio de sosa y cal 140°

¿Qué es una BURBUJA?

¿Qué es una POMPA?

¿cómo debe ser la presión interna respecto de la presión

externa para que existan?

• Sabemos que la Fuerza de Tensión superficial trata de disminuir la superficie de la interfase: tiende a colapsar la pompa o burbuja

• La Fuerza que se opone a la anterior e impide el colapso es la originada por la diferencia de presiones entre el interior y el exterior.

• Será necesario realizar trabajo para lograr un incremento del tamaño de la pompa

∆P = F / A ∆P = F. l / A . l ∆P = dW / dV

y dado que γ = dW / dA

∆P / γ = dA /dV

LEY DE LAPLACE para gotas o

burbujas

• Si V = 4/3 π r3 y A = 4 π r2

• dV = 4 π r2 dr y dA = 8π r dr

∆P = dA = 8π r dr = 2 γ dV 4 π r2 dr r

∆P = 2 γ r

∆P = 4 γ r

∆P = γ r

Ley de Laplace para superficies cilíndricas

Ley de Laplace para pompas de solución jabonosa

∆P =

∆P =

La presión en la pompa más grande es inicialmente menor, por lo tanto el aire fluye de la pequeña a la grande. El equilibrio se alcanza cuando las presiones internas se igualan. Entonces las curvaturas de las dos pompas deben ser iguales. Sólo se observará un casquete de la esfera de la derecha.

¿Qué sucede cuando se abre la válvula?

A simple vista se observa que la pompa más grande crece y la más pequeña se achica aún más.

Las pompas siempre tratan de minimizar la superficie para un volumen dado

Apliquemos Laplace en estas dos situaciones:

¿Los sistemas están en equilibrio o evolucionarán de algún modo?

Ascenso y descenso capilar

∆P =R

2.γ

⇒P5≅P1 ≅P4=P3

R2.γ

=ρ.h

P3=P4

P3≅P4

P1=P2+ R2.γ

P2+ρ.h=P3

R2.γ

P2+ =P2+ ρ.h

R = radio del menisco

1

2

3 4

5

θ

3

2 γ

R= ρ h

R = radio del menisco

r = radio del capilar

Rr

cos θ = r / R2 γ cos θ

ρ r= h

Ley de Jurin

Apoyamos el objeto sobre un líquido

Vemos que el sistema se encuentra en equilibrio. Por lo tanto:

Tenemos un objeto y una interfase líquido gas

Líquido

Gas Objeto sujetado

Fγ

P

Fγ ββ

La modificación de γ o de β conducirá a un cambio del equilibrio original y, consecuentemente, a la generación de nuevos equilibrios caracterizados por otras relaciones P/ perim.

Para un objeto dado P/ perim = k, por lo tanto el producto γ cos β debe ser constante e igual a k si el equilibrio es vertical.

γ perímetro cosβ = P

ΣFγ(y)= P Σ Fγ cosβ = P

Compare la situación: 1 con 2 y 1 con 3

Qué cambió y qué no al pasar de 1 a 2 ó 3 ???

h0 = ht – 0.123 t + c

Barómetro de Fortín

Flecha

f = ht – h`t

ht

h´t

Tabla de

Kholraush

Corrección por

capilaridad

¿Qué son los tensioactivos?¿Qué son los tensioactivos?:

Son sustancias que al disolverse en un Son sustancias que al disolverse en un determinado líquido, inciden sobre la determinado líquido, inciden sobre la tensión superficial del mismo tensión superficial del mismo modificando el coeficiente de tensión modificando el coeficiente de tensión superficial del sistemasuperficial del sistema..

Hay tensioactivos que Hay tensioactivos que

Aumentan el Aumentan el γγ

Disminuyen el Disminuyen el γγ

Dentro de ellos, los que disminuyen el Dentro de ellos, los que disminuyen el coeficiente de tensión superficial (también coeficiente de tensión superficial (también denominados surfactantes) se utilizan en denominados surfactantes) se utilizan en innumerables aplicaciones:innumerables aplicaciones:

•productos de limpiezaproductos de limpieza•Industrias:Farmacéuticas , agro-Industrias:Farmacéuticas , agro-alimenticias, cosméticas, metalúrgicas, alimenticias, cosméticas, metalúrgicas, textiles, petroleras, de pinturas y textiles, petroleras, de pinturas y polímeros, etc.polímeros, etc.

Aplicaciones de los tensioactivosAplicaciones de los tensioactivos:

Agentes tensioactivos surfactantesAgentes tensioactivos surfactantestienden a formar estructuras establestienden a formar estructuras estables

Región Región hidrofóbicahidrofóbica

MicelaMicela

Las cabezas polares se Las cabezas polares se orientan hacia el medio orientan hacia el medio hidrofílico y las regiones no hidrofílico y las regiones no polares se ponen en polares se ponen en contacto entre si. De este contacto entre si. De este modo proveen un pequeño modo proveen un pequeño volumen hidrofóbico en un volumen hidrofóbico en un medio acuoso. Entre ellos medio acuoso. Entre ellos los de cadena hidrofóbica los de cadena hidrofóbica no muy larga forman no muy larga forman micelasmicelas. .

Los de cadena hidrofóbica más larga como Los de cadena hidrofóbica más larga como fosfolípidos o ácidos grasos tienden a fosfolípidos o ácidos grasos tienden a formar formar liposomasliposomas que según el método de que según el método de obtención pueden ser:obtención pueden ser:

UnilamelaresUnilamelares

MultilamelaresMultilamelares

Bicapas lipídicas que Bicapas lipídicas que proveen un volumen proveen un volumen hidrofílico encerrado en hidrofílico encerrado en capas lipofílicascapas lipofílicas

Aplicaciones farmacéuticasAplicaciones farmacéuticas

En cosmética y farmacia se incorporan principios activos a liposomas los que debido a su estructura lipofílica favorecen la absorción

El proceso de micelación juega un rol importante en la elaboración de preparaciones farmacéuticas, ya que el medio que proporcionan, facilita la disolución de otros compuestos

Micelas biológicasMicelas biológicasDurante la digestión se produce la micelación de los lípidos dietarios para favorecer su absorción

Otras estructuras micelares son las lipoproteínas séricas fisiológicas (LDL, HDL, etc)

Ácidos grasos

Sales biliares

triglicéridos

fosfolípidoscolesterol

apoproteínastriglicéridos

Surfactante biológico Surfactante biológico en los pulmonesen los pulmones

RESPIRACIÓN