5. EL COEFICIENTE DE TENSION SUPERFICIAL

EL COEFICIENTE DE TENSION SUPERFICIAL Método de Rayleigh 1. OBJETIVO Tener claridad del fenómeno físico, denominado tensión superficial, donde determinaremos el coeficiente de tensión superficial de ciertos líquidos, según el método de Rayleigh 2. MATERIALES 01 01 01 01 01 01

Vernier Termómetro hasta 100 ° C. Bureta Vaso Pirex Soporte Vertical clamp

3. FUNDAMENTO TEORICO La superficie de un líquido se comporta en numerosos casos como una membrana estirada. El ejemplo de la gota de agua que se forma lentamente en el extremo de un tubo de vidrio. En este caso, el agua se acumula como si la recogiese una membrana invisible, hasta alcanzar un tamaño definido, luego se desprende en forma de gota esférica. a) Una molécula en el seno de un líquido es atraído por sus vecinas, uniformemente; y durante un intervalo largo de tiempo, no experimenta una fuerza desequilibrada en dirección particular alguna. Una molécula en la parte superficial de un líquido es atraída por sus vecinas, pero como tiene solo vecinas debajo de ella, es atraída hacia el seno del líquido. Como las moléculas de la superficie están unidas a las moléculas laterales, no tienen una energía tan baja como las que se encuentran en el interior. Para desplazar una molécula del interior del líquido a la superficie se necesita energía adicional, como la presencia de otra molécula en la superficie aumenta el área de la superficie; se concluye que debe suministrarse energía para aumentar el área de la superficie liquida. La

energía requerida para aumentar la superficie denomina tensión superficial del líquido.

se

b) En la formación de las gotas, podemos partir del análisis de la dinámica presente en la formación de la gota que se desprende de un tubo cilíndrico, de radio R y que el líquido tiene un coeficiente de tensión superficial a. Mientras la gota no se ha desprendido, ella toma una forma tal, que la componente vertical de la fuerza de tensión superficial equilibra con el peso de la gota. La componente vertical de la fuerza de tensión superficial alcanza su valor máximo en el instante, justamente antes de que se desprende la gota, en el momento de desprenderse se sujeta la condición. m . g = 2π R a

....................(1)

a = (m g ) /2 π R

…………...(2)

donde : m = masa de la gota R = radio de la punta de la bureta a = coeficiente de tensión superficial del líquido De la ecuación (1) podemos determinar a, pero no se ha tenido en cuenta el trabajo de deformación cilindro esfera, por lo que no es muy exacta. Rayleigh retocó esta expresión, obteniendo un modo empírico para determinar a. Rectificando las constantes: a= ( 5 m g) / 19 R

………….(3)

Si V es el volumen del líquido de densidad ρ y N el número de gotas y en este volumen V, entonces la masa de cada gota será: m = ( V ρ )/ N

……………(4)

Por lo tanto : a = ( 5 V ρ g )/ 19 N R

………(5)

4. PROCEDIMIENTO: 1. Vierta en la bureta el líquido, cuya tensión superficial desea determinar. (Utilizar 1,2 o 3 ml) 2. Mida la temperatura del líquido del interior de la bureta. Anote el valor correspondiente en la tabla. ¿Qué sentido tiene medir esta temperatura? En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se debe a 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. Entonces la tensión superficial del líquido a determinar pertenecerá solo a dicha temperatura. 3. Cargue la bureta con el líquido cuya tensión superficial se debe terminar. Tome dos niveles de referencia (A y B). Se sugiere tomar 1, 2 o 3 ml de líquido. 4. Use el vaso de precipitado como depósito de descarga del líquido de la bureta. 5. Cuente el número de gotas de la porción de líquido entre los niveles de referencia. Repita este procedimiento por lo menos 5 veces. Cada vez anote en la tabla el número de gotas el volumen escogido. ¿Para qué se cuenta el número de gotas? 6. Repita los pasos anteriores para los otros líquidos. 7. Repita los pasos anteriores para T = 50 ªC. Anotar en la siguiente tabla.

4.1 DISEÑO

5. DATOS Y RESULTADOS

T=20.4º C Liquido

H2O ρ

Alcohol

V

N (nº

(ml

gotas)

ρ

V

N (nº

(ml )

)

α

Mezcla ρ

V

N

gotas

(ml

(nº

)

)

gota

H2O

α

α

alcoh

mezc

ol

la

s) 1 2

1 1

2 2

43

0.7

42

9 0.7

51

0.8

51

95 0.8

1

49

95 0.8

1 1

166

39.

13.2

13.8

160

9 40.

9 13.2

8 14.4

3

162

8 39.

9 13.8

14.2

3 3

3

1

2

43

9 0.7

4

1

2

42

9 0.7

1

50

95 0.8

3

162

9 40.

3 13.5

2 14.2

5

1

2

42

9 0.7

1

50

95 0.8

3

160

8 40.

5 13.5

2 14.4

promed

1

2

42.4

9 0.7

1

50.2

95 0.8

3

162

8 40.

5 13.5

14.2

ios

9

95

44

T = 50oC Líquido ρ (g/cm3)

Agua V (ml)

N (nº

αagua (dina/cm)

2

1 2 3 4 5 Promedio

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

gotas) 22 22 22 21 21 21.6

38.99 38.29 38.29 40.85 40.85 39.314

5. CUESTIONARIO 1.- ¿ influye la tensión capilares?. Explique.

superficial

en

los

fenómenos

La tensión superficial si influye sobre los fenómenos capilares, ya que la acción capilar en tubos de diámetro muy pequeño, una columna de líquido puede quedar sostenido sobre este capilar, gracias a las fuerzas adhesivas y cohesivas que actúan sobre el. Para que esto suceda, el capilar debe haber sido sumergido previamente en el líquido para que haya una delgada capa de líquido adherida a la pared interior del tubo por encima de la columna de líquido , así vemos que esta capa ejerce una tensión superficial en torno a la circunferencia de la columna líquida, producto de las fuerzas cohesivas y adhesivas. Cuando las fuerzas adhesivas son grandes con respecto a las fuerzas de cohesión, como sucede en el caso del agua y la superficie del vidrio, se dice que el líquido moja la superficie de otra sustancia, además su ángulo de contacto es inferior a 90°. En el caso del agua y vidrio su ángulo de contacto es 0°.

2.- ¿depende la tensión superficial de la temperatura ? Explique. Si depende de la temperatura y depende en forma inversa: En un líquido observamos que las moléculas en la superficie tiene una fuerza de atracción resultante hacia el interior del líquido; como consecuencia de esta fuerza la superficie del líquido se comporta como si estuviera en tensión y la cubriera una membrana invisible. La tensión superficial, disminuye al aumentar a temperatura ya que al aumentar la temperatura la moléculas en el interior del líquido

comienzan a agitarse y esta agitación molecular hace que la membrana que lo cubría al líquido desaparezca.

T

oC 0 20 60 100

a ( N / m) 0.076 0.072 0.066 0.059

3.- ¿Cuándo “α ” es igual a cero para el agua. Podría generalizarse para otros líquidos. Para que a sea igual a cero, depende mucho de la temperatura, pues va a existir un valor máximo o punto crítico donde la tensión superficial se va a hacer nula, es decir desaparece la diferencia entre líquidos y vapor . En el caso del agua, el a (coeficiente de tensión superficial) se va ha hacer nula cuando la temperatura llega a los 374 ° C. 4. - ¿El coeficiente de tensión superficial, depende de la densidad? Si depende de la densidad del líquido ya que esta relacionado con la siguiente fórmula: 

α = ( 5Vρg ) / 19NR

Como observamos si depende de la densidad del líquido en forma directa. 5.- ¿el coeficiente de tensión superficial está relacionado con la viscosidad? El coeficiente de tensión superficial si esta relacionado con la viscosidad porque al fijarnos en las formulas con la que la podamos hallar tal relación ya que estas fórmulas están relacionadas con el volumen: De las formulas demostraremos lo siguiente La tensión superficial: 

α = ( 5Vρg ) / 19NR

Despejamos V de aquí: 

V = (α 19NR) / 5gρ



n = л (P2-P1) R4t / 8VL

La viscosidad:

Reemplazando V en la viscosidad. n = л (P2-P1) R4t / 8VL ……

(1)

V = (α 19NR) / 5gρ

(2)

…….

Reemplazando (2) en (1) n = ( л (P2-P1) R4t ) 5gρ / 8L ( α 19NR ) n = ( л (P2-P1) R4t ) 5gρ / 152 Lα NR Cómo observamos la viscosidad esta relacionado con la viscosidad de la siguiente manera: n = ( л (P2-P1) R4t ) 5gρ / 152 Lα NR Por lo tanto la viscosidad y la tensión superficial esta relacionado en forma inversamente proporcional.

6.- De cinco ejemplos de aplicación práctica del fenómeno tensión superficial, en el campo de la ciencia y tecnología. La tensión superficial esta relacionado con • El poder de jabón para limpiar. • Formación de espumas • Los insectos pueden permanecer suspendidos sobre el agua • La capilaridad, fenómeno que permite las plantas llevar agua desde las raíces hasta la parte mas alta del tallo • El que se moje una tela normal, pero no la de un impermeable • La forma esférica de las gotas

CONCLUSIONES

 La tensión superficial es una propiedad de los líquidos, por los cuales estos pueden pasar por los intersticos de un sólido, es casi similar a la presión, con la diferencia que la fuerza que ejerce hacia adentro y tiende a encoger su superficie.  Debido a la tensión superficial, las moléculas de los líquidos se atraen unas a otras por tanto las que se encuentran en la superficie también estarán atraídas a las del interior, así también serán atraídas por las moléculas del recipiente que los contiene, esto puede ser ya que las gotas adquieren una forma esférica, entonces se puede reducir el número de moléculas en la superficie, esta tendencia de contracción es motivo por lo cual existe tensión.  El fenómeno de tensión superficial esta muy presente en nuestra vida cotidiana, este explica muchos fenómenos característicos del estado líquido, por ejemplo la formación de gotas cuando el liquido sale a través de orificios pequeños, la formación de espuma, etc. Asimismo esto da lugar a que muchos líquidos no pasen a través de mallas muy finas, tal es el caso del agua a través de los tejidos del paraguas.  Asimismo observamos de las tablas que esta es inversamente proporcional a la temperatura, ya que disminuye a medida que la temperatura aumenta.

BIBLIOGRAFIA

• Física Marcelo Alonso Finn editorial: Addison Wesley 1987

• Al varenga Álvarez, Beatriz, Física general tercera edición, México, 1991

• Álvarez Moran, Jaime física general. Lima, 1986