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Ejemplo de Tensión Superficial
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La Tensión Superficial es la Fuerza ejercida en la superficie de un líquido que está en reposo, para contrarrestar el peso de un objeto ligero que se posa sobre él. Además, la Tensión Superficial se puede definir como la Fuerza que ejerce un líquido para resistirse a ser roto en su superficie. Es la principal propiedad que sostiene a las pompas de jabón, consistentes y firmes.
Los líquidos tienen como una de sus propiedades principales un volumen fijo, cuya forma variará de acuerdo con el recipiente que los contengan. Los líquidos se adaptan a la forma del recipiente, ocupando siempre por gravedad la parte más baja de éste. De este modo, dejan una superficie libre, no totalmente plana, o adoptan formas especiales como gotas, pompas o burbujas.
Existen entonces las Fuerzas Superficiales, llamadas Cohesión y Adhesión, que se explican a continuación:
Cohesión: Es cuando dos superficies de líquidos diferentes se van afectando por una fuerza de atracción entre sí, que se activa en las moléculas más exteriores.
Adhesión: Es cuando un líquido se incorpora por atracción a la superficie de un sólido, difundiéndose en esa área.
Estas dos Fuerzas superficiales son responsables de varios fenómenos biológicos, basadas en los conceptos de Tensión Superficial y Capilaridad.
Tensión Superficial
En un líquido, cada molécula se encuentra rodeada por más moléculas; de esta manera la atracción en todas las direcciones se compensa en cada punto del líquido, excepto en la superficie, donde al no haber moléculas más arriba, sino sólo aire, las fuerzas se dirigen al interior del líquido, generando así una atracción neta hacia ese contenido.
El líquido, entonces, tiende a hacer cohesión, lo que es lo mismo que no dispersarse, y a minimizar su superficie, formando gotas. La superficie del líquido tendrá el comportamiento de una película que ofrece resistencia a su deformación, y por tanto resistencia a romperse.
Para medir esa Fuerza de Cohesión, se considera una estructura de alambre con un lado deslizante, en la que se coloca una capa de líquido. Una comparación simple de esta estructura, es con un aro para soplar pompas de jabón, en el que se puede deslizar un poco el alambre para hacer el aro más grande.
El líquido va a tratar de minimizar la superficie, designada por S, ejerciendo una fuerza F sobre el lado deslizante, que se puede medir. Se concluye que el cálculo de la Fuerza queda:
Fuerza en la Tensión Superficial
Donde γ es la Tensión Superficial, y l es la longitud del cable que se desliza.
La Tensión Superficial γ es una propiedad del líquido. La Fuerza F dependerá de l, la longitud del cable deslizante, pero no de la superficie S. Se introduce el factor 2 porque hay dos superficies, que son la interna y la externa del alambre deslizante, que está en contacto con la del líquido.
La Tensión Superficial γ es la Fuerza por unidad de longitud que ejerce una superficie de un líquido sobre una línea cualquiera, situada sobre ella como borde de sujeción.
La Fuerza originada en la Tensión Superficial es perpendicular a la línea de la superficie, y tangente a la ésta.
La Tensión Superficial γ también se puede definir como la Energía por Unidad de Área que se necesita para aumentar una superficie, y se expresa con la siguiente fórmula:
Tensión Superficial como Energia
Como se requiere energía para que se forme una superficie, los líquidos tienden a reducir su área expuesta, respecto a los alrededores. Es por ese asunto que las superficies de los cuerpos de agua como lagos, mares y océanos en un estado de calma sean planas.
La Tensión Superficial es medida en Newton cada metro (N/m), y para cada sustancia disminuye al aumentar la temperatura. La del agua es mayor que en la mayoría de los líquidos, y es debida también a que es uno de los líquidos más densos, con 1 g/cm3 de densidad.
A continuación se muestra una tabla con los valores de algunas sustancias, propios de una serie de temperaturas.
Liquido
T(°C)
γ(N/m)
Helio
-270
0.0002
Hidrógeno
-255
0.002
Neón
-247
0.005
Oxigeno
-193
0.016
Etanol
20
0.022
Agua con jabón
20
0.025
Agua
100
0.059
Agua
60
0.062
Agua
20
0.073
Agua
0
0.076
Mercurio
20
0.465
Plata
970
0.800