Interfase líquida.docx

Interfase líquida En termodinámica se define como fase una región del espacio con propiedades intens intensiva ivas s (como (como P, T, ci) cons consta tant ntes es.. Si se tien tienen en dos dos fase fases s en cont contac acto to,, debe deben n diferenciarse en algunas de estas propiedades y, por lo tanto, debe existir una ona de transición donde las propiedades cambien desde su valor en una fase !asta el valor "ue ad"uieren ad"uieren en otra, región tridimensiona tridimensionall de contacto contacto entre dos fases ∝ y  β "ue recibe el nombre de interface o región

intensiva iva en un Figura 5.1. ‐ Es"uema de la variación de una propiedad intens sistema bifásico. #

interfacial y en la "ue sus propiedades var$an desde las correspondientes a la fase !ast !asta a las las de la fase fase

∝

 β . Por e%emplo, si se tiene agua en contacto con su vapor en

e"ui e"uili libr brio io t&rm t&rmic ico o (igu (igual al temp temper erat atur ura) a) y mecá mecáni nico co (igu (igual al pres presió ión) n),, la prop propie ieda dad d concentración cambiará desde un valor alto en la fase l$"uida !asta un valor muy ba%o en el vapor (tal y como se representa en la 'igura .). *a interface es por tanto una región no !omog&nea, cuyas propiedades intensivas (en este caso la concentración) cambian con la posición. +u& +u& ocur ocurre re desd desde e el punt punto o de vist vista a mole molecu cula larr- Todas das las las mol& mol&cu cula las s por deba deba%o %o del del plan plano o ! tien tienen en un mism mismo o ento entorn rno o y form forman an part parte e comp compre rend ndid idas as por exclusivam exclusivamente ente de la fase . el mismo modo, las mol&culas situadas por encima del plano !/ tienen tienen un un mismo mismo entorno entorno y forman la fase . Sin embargo, las mol&culas situadas en la región ! / ‐!) tienen un entorno molecular distinto al de las mol&culas "ue están en el interior de cada fase. En el caso de "ue las fases en contacto sean un 



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alta como en el interior de la fase l$"uida ni tan ba%a como en la fase gaseosa.

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En la mayor$a de sistemas, el tama0o de la región interfacial es muy pe"ue0o respecto al del sistema por lo "ue la fracción de mol&culas presentes en la región interfacial es tambi&n muy pe"ue0a y la influencia "ue e%erce sobre las propiedades macros macroscó cópic picas as del del siste sistema ma es desp desprec reciab iable. le. 1orma 1ormalme lmente nte,, el espes espesor or de la regió región n interfacial interfacial se limita a unos pocos diámetros moleculares (normalmente (normalmente de 2 a 3 capas de mol&culas) mol&culas) e involucra por tanto tanto a una proporción proporción pe"ue0a de mol&culas mol&culas del sistema, sistema, aun"ue, sin embargo, existen sistemas con una fracción significativa de mol&culas en la superficie, como se puede observar en el siguiente e%emplo, siendo notables los efectos de la interface en esos sistemas con gran área

super superfic ficial ial,, como como son los los coloi coloide des, s, o los los sólido sólidos s poro porosos sos (como (como las las eoli eolita tas) s) o las

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fenómenos de superficie con superficies l$"uidas (li" ‐gas o li" ‐li") y con superficies sólidas (sol ‐gas y sol li"). #

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Tensión Tensión superficial s uperficial

esde un punto de vista macroscópico puede observarse la tendencia espontánea de todo sistema a minimiar su área superficial. Por e%emplo6 i) 7n l$" l$"ui uido do (en (en ause ausenc ncia ia de de otra otras s fuer fueras as)) tien tiende de a ado adopt ptar ar for forma ma esf esf&r &ric ica a por"ue es la forma 2# "ue asegura una menor relación área8volumen. ii) ii) os os gota gotas s igua iguale les s de l$"u l$"uid ido o se une unen n para para for forma marr una una may mayor red reduc ucie iend ndo o la superficie, sin variar la masa y el volumen total. Por e%emplo, sean dos gotas de radio r  , volumen, 9, área, : , y masa, m, como se indica en la figura. Estas gotas tienden a unirse formando una de mayor radio, r /, cuyos valores de masa y volumen serán el doble de cada una de las gotas anteriores, sin embargo el área será sólo ,; veces la primera.

. esde un punt unto de vista ista mol molecu ecular se !an de conside iderar rar las fue fuera ras intermoleculares "ue mantienen unidas las mol&culas de l$"uido y "ue disminuyen su energ energ$a $a inter interna. na. :s$ si se cons conside idera ra un l$"ui l$"uido do en e"uil e"uilibr ibrio io con con su vapor vapor como como se

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Por el contrario, las mol&culas de la superficie experimentan una fuera atractiva neta !acia el interior del l$"uido, ya "ue se pueden despreciar las interacciones con las mol&culas del vapor. En t&rminos energ&ticos, las mol&culas de la superficie tienen una ener energ$ g$a a inte intern rna a prom promed edio io supe superi rior or a las las mol& mol&cu cula las s del del inte interi rior or del del l$"u l$"uid ido o ya "ue "ue experimentan menos interacciones atractivas. El sistema tenderá a minimiar su superficie para minimiar as$ su energ$a.

Supóngase Supóngase una superficie superficie interfacial de área : entre entre dos fases

∝

ey

 β . El n4mero 1

de mol&culas en la región interfacial será proporcional al área. Si se aumenta dic!a área en una cantidad d:, aumentará el n4mero de mol&culas ?superficiales@ en d1. ado "ue las mol&culas son más estables en el interior de la fase, será necesario realiar realiar un traba%o dA proporcional a d1 y por tanto a d: para llevarlas a la superficie y as$ incrementar el área interfacial6

donde

γ 

 es el coeficiente de proporcionalidad, independiente del área, "ue recibe el

nombre de tensión superficial. Sus propiedades principales son6

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sistema (dAB=). γ 

/)

depende depende de la natur naturale alea a de las dos fases fases (



y

) puestas en contacto, de la



temperatura y la presión. Cuando se !abla de la tensión superficial de un l$"uido nos referimos a la  de un sistema compuesto por el l$"uido (*) en e"uilibrio con su vapor (9). Da "ue las inter interacc accio iones nes con las mol&c mol&cula ulas s de la fase fase gase gaseosa osa son despre desprecia ciable bles, s, normalmente, suele medirse la tensión superficial del l$"uido frente a aire u otros gases iner inerte tes s a ba%a ba%as s pres presio ione nes s de form forma a "ue "ue la solu solubi bili lida dad d del del gas gas en el l$"u l$"uid ido o sea sea despreci despreciable able y "ue la  no dependa de la naturalea de la otra fase. El efecto de la presión suele ser muy pe"ue0o ya "ue, en primera aproximación, podemos considerar a las fases condensadas como incompresibles. 



2)

 tiene unidades de energ$a8unidad de área, o lo "ue es e"uivalente de fuera8unidad de longitud6 

Sistema nternacional6 F

−2

m

−1

G1

m

3)  puede interpretarse tambi&n como una fuera por unidad de longitud. maginemos un sistema bifásico bifásico (con fases y ) confinado por un pistón móvil, como el "ue se es"uematia en la 'igura .3. Cuando se desplaa el pistón una distancia dl y , se produce un aumento de volumen, d9Gl xldly , y de superficie, d:Gl xdly, entre entre las fases fases y realiando un traba%o reversible sobre el sistema dA revG ‐pd9H d:, siendo p la presión en el interior de las fases  y . Por otro lado, el traba%o realiado por el pistón desde un es6 dArevG'pist gua guala land ndo o los dos dos tra traba ba%o %os s y punt punto o de vista ista mecá mecáni nico co es6 piston on dly. sustituyendo d9 y d:, se obtiene6 



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Es decir, la fuera realiada sobre el pistón se puede ver como la suma de una fuera debida a la presión del sistema sobre la superficie del pistón y de otra fuera debida a la presencia de la interfase, "ue pretende impedir el aumento del área interfacial. Por lo tanto, tanto, la tens tensión ión superficial se puede definir tambi&n como una fuera por unidad de longitud, siendo l x la longitud de la l$nea de contacto de la interfase con el pistón6