Tensión superficial

La tensión superficial es la capacidad de las superficies fluidas para contraerse en el área de superficie más pequeña posible. ¿Alguna vez te has dado cuenta de que, incluso después de llenar un vaso con agua, solo puedes agregar unas gotas más antes de que se derrame? ¿Alguna vez has perdido un termómetro y has visto cómo reacciona el mercurio a medida que cae? Todo lo cual es causado por la tensión superficial de la superficie. Su superficie aislada se comporta como una fuerte membrana de caucho debido a la fuerza supresora de las moléculas del fluido. Como resultado, la superficie individual del fluido aún se encuentra en un estado de tensión y tiende a tener el campo más pequeño. Por lo tanto, la tensión superficial se refiere a la tensión en la superficie individual del fluido. Analicemos más tensión superficial como:

Tensión superficial

La tensión superficial se describe como el fenómeno que ocurre cuando la superficie de un líquido entra en contacto con otra fase (también puede ser un líquido). Los líquidos parecen tener el área de superficie más pequeña posible. La superficie del líquido parece una lámina elástica. 

Imagine una línea XY (como se muestra en la figura a continuación) en la superficie independiente del fluido en equilibrio, luego, en cada punto de esta línea, la misma fuerza actúa en su dirección exactamente opuesta. Cada punto se estiró con la misma fuerza en ambas direcciones. 

Así, en el equilibrio, una fuerza que actúa sobre cualquier otra por unidad de longitud de una línea imaginaria sobre una superficie independiente del fluido, que es perpendicular a la línea y en la dirección de la línea tangente a la superficie, se denomina Tensión Superficial . 

La tensión superficial se indica con el símbolo σ o T.

Matemáticamente, la tensión superficial se define como la fuerza (F) que actúa sobre la superficie y la longitud (l) de la superficie, por lo que se da como:

T = F / l

Además, la relación entre el trabajo realizado (W) y el cambio en el área de la superficie (A) se denomina tensión superficial.

T = W / A

Su unidad SI es N/m o J/m y su fórmula dimensional es [ML ⁰ T ^-2 ] .

Causa de la tensión superficial

El efecto conocido como tensión superficial es causado por las fuerzas cohesivas entre las moléculas líquidas. Dado que las moléculas en la superficie carecen de moléculas similares en ambas direcciones, se adhieren más estrechamente a aquellas específicamente alineadas con ellas en la superficie. Esto crea una «película» superficial que hace que mover un objeto a través de la superficie sea más difícil que moverlo mientras está completamente sumergido.

Suponga que un frasco está lleno de agua; las moléculas de agua se pueden encontrar en dos posiciones en este frasco: primero, debajo del agua y segundo, en la superficie del agua. Dado que no hay moléculas por encima de estas moléculas, las moléculas en la superficie del agua están desequilibradas. Como resultado, solo las moléculas de abajo serán atraídas. Como resultado, se formará una fina costra en la superficie superior del líquido. Debido a esta capa gruesa, se genera una forma de estrés, que se conoce como tensión superficial. Estos fenómenos también se pueden explicar en términos de energía. 

Energía superficial

La energía superficial mide la ruptura de los enlaces intermoleculares causados ​​por la formación de una superficie. La energía libre superficial y la energía libre interfacial son otros nombres para ella. La energía superficial se define como el trabajo realizado por unidad de área por la fuerza que forma la nueva superficie.×

Cuando aumenta el área de superficie libre de un líquido, se debe hacer un esfuerzo contra la fuerza de tensión superficial. Este trabajo se almacena como energía potencial en la superficie del líquido. Este aumento de energía potencial por unidad de área de superficie libre de líquido se conoce como energía superficial. Matemáticamente, la energía superficial se define como:

Energía superficial = Tensión superficial × Cambio en el área superficial

o 

E _S = T × ΔA

donde T denota tensión superficial y ΔA denota un aumento en el área superficial.

Por lo tanto, la unidad SI de energía superficial es Nm ^-2 y la fórmula dimensional es [MT ^{– 2} ] .

Ángulo de contacto

El ángulo de contacto se define como el ángulo subtendido entre las tangentes trazadas en la superficie del líquido y la superficie sólida dentro del líquido en el punto de contacto, o se define como el ángulo subtendido entre las tangentes trazadas en la superficie del líquido y el sólido. superficie dentro del líquido en el ángulo de contacto (θ).

El ángulo de contacto depende de los siguientes factores:

• La naturaleza del líquido, el sólido con el que entra en contacto. 
• El medio que existe sobre la superficie libre del líquido.
• A medida que aumenta la temperatura del líquido, también lo hace el ángulo de contacto.
• Cuando se agregan impurezas solubles a un líquido, el ángulo de contacto cae.

Tendencia de los fluidos a reducir el área superficial

Imagina una gota de agua, que es esférica como se muestra a continuación. Hay dos tipos de moléculas que aparecen en la gota de agua. Primero, los que están situados en la superficie de una gota de agua. En segundo lugar, los que están situados bajo la gota de agua. 

• La molécula de fluido ubicada en la gota que se encuentra dentro de la gota será atraída por las moléculas que la rodean debido a la fuerza sensorial. Estas moléculas de fluido tendrán cierta cantidad de energía potencial negativa, porque se requiere algo de energía para separar esta molécula de fluido de esta gota de fluido. 
• Supongamos que esta molécula de fluido tiene X energía potencial negativa. Ahora considere la molécula que se encuentra en la superficie libre de la gota. Debido a que esta molécula está en la superficie de la gota, esta molécula no estará rodeada por las moléculas de fluido que la rodean. Debido a lo cual el valor de la fuerza sensorial aplicada sobre él será la mitad en comparación con la primera molécula. 
• En este caso, la energía potencial negativa de esta molécula también será la mitad del valor, que será X/2, que requiere menos energía para separar esta molécula de una gota de fluido. De acuerdo a esto, podemos decir que el nivel de energía de las moléculas en la superficie es alto, por lo que se intenta llevar cada vez más moléculas a niveles de energía más bajos y esto sucede hasta que queda la mínima energía posible en la superficie del fluido. para mantener la superficie. Es por esto que los fluidos tratan de cubrir la menor cantidad de espacio.

Aplicaciones de la tensión superficial

1. La forma esférica de las gotas: Las pequeñas gotas de fluido son esféricas debido a la tensión superficial. Las moléculas de agua tienden a unirse debido a la fuerza intramolecular, y la energía de las moléculas que se encuentran en la superficie de las gotas contienen una energía más alta y tratan de empujar a la otra molécula hacia el centro de la gota. Debido a esto, la gota tiene la forma que contiene la menor área de superficie y la forma esférica es la mejor para la menor área de superficie, por eso las gotas de agua y las gotas de lluvia son esféricas.
2. Pulido al fuego de vidrio: El método de pulido de vidrio o termoplástico con la ayuda de fuego o llama se llama Pulido al fuego. Cuando calentamos un material de vidrio en llamas, la superficie del vidrio comienza a derretirse. Pero debido a la tensión superficial, comienza a volverse suave y terso, lo que hace que el vidrio sea muy plano y terso. Este método es más aplicable a superficies externas planas. El pulido a la llama es frecuente en la fabricación de plástico acrílico debido a su alta velocidad en comparación con los métodos abrasivos. En esta aplicación, normalmente se usa un soplete de oxígeno, una de las razones es que es poco probable que la química de la llama contamine el plástico. 
3. El ascenso de líquidos en Tubos Capilares: Un tubo cuyo radio es muy corto y uniforme se denomina tubo capilar. Cuando un capilar abierto se sumerge en agua. El agua sube hasta cierta altura en el tubo capilar. 

Supongamos que hay un recipiente con agua en el que sumergimos el tubo capilar, luego, según la figura, podemos ver que hay dos puntos en la superficie del fluido. Uno que es independiente y otro que está dentro del tubo. Vemos que la presión atmosférica en A y B es P, pero la presión del fluido P ₀ en el punto B será menor que la presión atmosférica P. por lo que las moléculas del fluido irán a la parte de baja presión para equilibrar la presión, por lo que el agua en el tubo capilar sube como en la figura 2. 

                    

La diferencia entre dos presiones es, P – P ₀ = 2T/R

Supongamos que la altura de la subida del agua es h, entonces la ecuación será la siguiente:    

h = 2T cos θ / rρg

donde T es la tensión superficial, θ es el ángulo de contacto, ρ es el radio del tubo capilar, r es la densidad del agua y g es la aceleración gravitacional.

Factores que afectan la tensión superficial

• Si el soluto es altamente soluble en el fluido, la tensión superficial del fluido aumentaría. Y si el soluto es menos soluble en el fluido, entonces la tensión superficial del fluido disminuiría.   
• Si hay partículas de polvo o algún lubricante presente en la superficie del fluido, la tensión superficial del fluido disminuye.
• El aumento de la temperatura reduce la tensión superficial del fluido. Y al disminuir la temperatura aumenta la tensión superficial.                  

Problemas de muestra

Problema 1: ¿Por qué el jabón es útil para limpiar la ropa?

Solución: 

El jabón reduce la tensión superficial del agua. Así el agua penetra en pequeñas áreas de la ropa y elimina las manchas. Así que el jabón es útil para lavar la ropa.

Problema 2: ¿Por qué usamos Pasta de dientes para limpiar los dientes?

Solución:  

La espuma de pasta de dientes reduce la tensión superficial. Por lo tanto, limpia los dientes al fallar sobre una gran área de dientes.

Problema 3: ¿Por qué las gotas pequeñas de mercurio son planas y las grandes, aplanadas?

Solución:  

Hay dos tipos de fuerzas que actúan sobre las gotas de mercurio. En las gotas pequeñas, la tensión superficial es mayor que la fuerza gravitatoria, por lo que es redondeada, pero en las gotas grandes, la tensión superficial es menor que la fuerza gravitatoria, por lo que es aplanada.

Problema 4: ¿Por qué la ropa se lava más rápido con agua tibia que con agua fría?

Solución:    

Al calentar el agua se reduce su tensión superficial, por lo que esparce la ropa en más superficie que el agua fría y limpia la ropa.

Problema 5: ¿Por qué usamos Dettol para lavar heridas? 

Solución:      

La tensión superficial del agua se reduce debido a que penetra en las pequeñas grietas de la herida y limpia la herida.