CAPILARIDAD
HABID E. SANTIAGO MÉNDEZ JHONATAN CHAVARRO LAURA QUIROGA QUIROZ YASSIR DOMÍNGUEZ
PROFESORA: ING. ANA GARRIDO LABORATORIO MECÁNICA DE FLUIDOS GRUPO AD
UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
20 DE MARZO DE 2013
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………..1
2. OBJETIVOS……………………………………………………….………2
3. MARCO TEÓRICO…………………………………………………..…..3
4. EQUIPO……………………………………………………………….….7
5. TRABAJO PRE LABORATORIO………………………………………8
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO……………9
7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS…………….……14
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS………………………………………19
9. GUÍA DE SÍNTESIS…………………………………………………..20
10. CONCLUSIONES………………………………………………….….23
BIBLIOGRAFÍA
1. INTRODUCCIÓN
Una de las ciencias básicas de la ingeniería es la Mecánica de Fluidos y se ocupa particularmente del estudio del comportamiento de los fluidos, ya sea que estos estén en reposo o en movimiento. En este sentido, para la experiencia de laboratorio es necesario definir algunas de las propiedades fundamentales de los fluidos líquidos como son la tensión superficial y la capilaridad, cuyas bases teóricas se enuncian en el presente informe.
De igual forma, se hizo necesaria la fundamentación teórica sobre algunas de las propiedades de los fluidos líquidos como la capilaridad y su comportamiento en las sustancias ensayadas por lo cual se describe la incidencia de la propiedad
en
el
líquido
y
el
comportamiento
que
éste
presenta
experimentalmente; obteniendo entonces que corresponde a una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.
En este orden de ideas se tiene que cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moja). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin utilizar energía para vencer la gravedad.
1
2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Precisar experimentalmente la capilaridad producida por varios fluidos líquidos para tubos capilares de diámetros variados, bajo condiciones de presión atmosférica y temperatura previamente concebidas.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Describir el fenómeno de capilaridad para algunos fluidos líquidos.
Caracterizar e identificar la propiedad de la capilaridad y sus aplicaciones.
Identificar las fuerzas involucradas y su comportamiento en el fenómeno de capilaridad como la cohesión y la adhesión.
2
3. MARCO TEÓRICO
La experiencia como tal se fundamenta en bases relacionadas con las propiedades de los fluidos líquidos como la capilaridad y la tensión superficial, su comportamiento y determinación mediante procedimientos experimentales fundamentados en el análisis matemático.
CAPILARIDAD
Consiste en la capacidad que tiene una columna de un líquido para ascender y descender en un medio poroso. Se evidencia claramente cuando se trabaja en medios porosos con diámetros menores de
.
La capilaridad está influenciada por la tensión superficial y depende de las magnitudes relativas entre las fuerzas de cohesión del líquido y las fuerzas de adhesión del líquido y las paredes del medio. En este orden de ideas la capilaridad corresponde en síntesis al producto del acoplamiento de las fuerzas que intervienen en un fluido líquido dispuesto en un recipiente. Las fuerzas que intervienen corresponden a las fuerzas de cohesión, la tensión superficial y la fuerza de adhesión.
FUERZA DE COHESIÓN
Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes
3
dentro de un mismo cuerpo. En el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. De igual forma, se tiene que la fuerza de cohesión se debe al intercambio de las moléculas de un fluido, caracterizado precisamente, en que este intercambio tiene lugar desde la parte inferior hasta la parte superior, que es donde se presentan las moléculas “solitarias” debido a que en la superficie estas no encuentran con quien llevar a cabo el intercambio, permitiendo generar una especie de capa o tensión a la cual se le conoce como tensión superficial.
FUERZA DE ADHESIÓN
La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se juntan dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas debido a las fuerzas intermoleculares. De igual forma, esta propiedad es muy importante en la industria de la construcción, aprovechada en la resistencia y compactación de la mezclas de mampostería. Igualmente la fuerza de adhesión se debe al grado de atracción ejercido por las moléculas del fluido líquido con las moléculas que conforman las paredes del recipiente en el cual está contenido.
TENSIÓN SUPERFICIAL
La tensión superficial es una fuerza que tiende a disminuir la superficie libre de un líquido. Se trata de una fuerza dirigida hacia el seno del líquido desde su superficie y se debe al desequilibrio de las fuerzas que actúan sobre las moléculas de la superficie libre del líquido.
4
Figura 1. Tensión superficial. A diferencia de lo que ocurre en el caso de las moléculas de líquido que se encuentran en el interior del mismo, las fuerzas que actúan sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido no están equilibradas. Éste es el origen de la tensión superficial.
Una molécula del interior de un líquido está sometida a fuerzas de atracción por parte de todas las moléculas del líquido que la rodean y, por lo tanto, se halla en equilibrio, ya que es atraída con la misma fuerza en todas las direcciones.
Sin embargo, las moléculas de la superficie del líquido no son atraídas hacia arriba y, por lo tanto, están sometidas a una fuerza dirigida perpendicularmente a la superficie del líquido y hacia el interior del mismo. A esta fuerza se le conoce como tensión superficial y es la causa de que el líquido se comporte como si se hallase rodeado por una especie de membrana elástica. Igualmente es gracias a la tensión superficial que existe el conocido menisco, formado entre otras cosas por una capa de moléculas que tienen lugar debido a la tensión.
5
De esta manera, la relación entre la tensión superficial y la capilaridad se aplica mediante el ascenso capilar
, y la cual se puede obtener mediante la
aplicación de la fórmula:
6
4. EQUIPO
Para la correcta realización de la experiencia se dispuso de los siguientes equipos e instrumentos:
Tubos capilares de diámetros diversos. Sustancias a ensayar (Agua, alcohol, cetona, mercurio). Calibrador Pie de rey (Vernier). Soporte universal Termómetro. Tubos de ensayo Regla
7
5. TRABAJO PRE LABORATORIO
La experiencia de laboratorio sobre la capilaridad de los fluidos líquidos planteó la necesidad de tener en cuenta los conceptos preliminares acerca del comportamiento de los fluidos líquidos y de las propiedades físicas que describen cuando son ensayados en el laboratorio, por lo cual se requirió de una vasta fundamentación teórica acerca de las fuerzas que intervienen en un líquido contenido en un recipiente sumado al comportamiento que éste evidencia.
Igualmente, se debe disponer para la realización de la experiencia claridad acerca de los registros de los datos a obtener, su organización y su previo significado, con el fin único de contemplar exitosamente la práctica de laboratorio y poder contrastar satisfactoriamente los resultados obtenidos.
Por último, el punto importante antes de realizar la experiencia supone la disposición de los estudiantes y la previa concertación de los procedimientos a emplear; añadiendo la disponibilidad de los equipos y de los instrumentos, la guía del docente y la presencia de las sustancias a ensayar.
8
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO
Para la realización de la experiencia de capilaridad se dispuso del siguiente procedimiento en el laboratorio.
1) Cerciorarse de que los tubos capilares estén completamente limpios.
2) Depositar en el interior de beaker la sustancia a ensayar.
3) Insertar los tubos capilares en el seno del líquido hasta el nivel superior completamente vertical.
4) Apreciar directamente el ascenso del líquido a través del tubo capilar, al igual que la rapidez con la que éste lo hace.
5) Tomar las alturas alcanzadas por los distintos líquidos ensayados en los tubos capilares.
6) Emplear el mismo procedimiento para cada sustancia, variando en cada caso el diámetro del tubo capilar.
9
PROCEDIMIENTO MATEMÁTICO
El procedimiento matemático asociado a la experiencia de laboratorio sugiere el uso de fórmulas establecidas para la determinación del grado de capilaridad para las sustancias ensayadas, evidenciando su relación con la tensión superficial.
Datos obtenidos a partir de la experiencia de laboratorio:
SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ACETONA MERCURIO
1 15 6 3
PROBETA (Ø int mm) (h) 2 3 5 3 3 2 2 2
3.5
MENISCO TEMPERATURA 1 CÓNCAVO 1 CÓNCAVO 24 1 CÓNCAVO CONVEXO
Consideramos ahora los valores teóricos planteados para tensión superficial y el peso específico de las sustancias ensayadas en el laboratorio.
SUSTANCIA
TENSIÓN SUPERFICIAL (10-3 N/m)
AGUA
72.8
9800
ALCOHOL
22.8
7938
ACETONA
23.7
7742
MERCURIO
0.484
133280
10
PESO ESPECÍFICO
⁄
Una vez conocidos los valores teóricos para la tensión superficial de las sustancias ensayadas podemos entonces proceder a calcular entonces el ángulo de contacto haciendo uso de la fórmula para el cálculo de la capilaridad:
Para encontrar el ángulo de contacto despejamos
11
de la ecuación:
Calculamos:
89.9710568
89.9807178
89.982646
89.99325122
89.970078
12
89.970078
89.970078
89.9825455
89.9859625
89.9812834
89.9719251
13
89.983623
123.4180558
133.5059383
128.285965
118.8096217
7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS
SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ACETONA MERCURIO
1 15 6 3 -8
PROBETA (Ø int mm) (h) 2 3 5 3 3 2 2 2 -5 -3
14
3.5 1 1 1 -2
MENISCO TEMPERATURA CÓNCAVO CÓNCAVO 24 CÓNCAVO CONVEXO
VALORES TEÓRICOS PARA LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL PESO ESPECÍFICO
SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ACETONA MERCURIO
TENSIÓN SUPERFICIAL (10-3 N/m) 72.8 22.8 23.7 0.484
PESO ESPECÍFICO 9800 7938 7742 133280
RESULTADOS
PROBETA 1 SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ACETONA MERCURIO
peso específico *diámetro*h 0.147 0.047628 0.023226 -1.06624
4*tensión superficial
Ɵ
291.2 89.9710568 91.2 89.970078 94.8 89.9859625 1.936 123.4180558
PROBETA 2 SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ACETONA MERCURIO
peso específico *diámetro*h 0.098 0.047628 0.030968 -1.3328
15
4*tensión superficial 291.2 91.2 94.8 1.936
Ɵ 89.9807178 89.970078 89.9812834 133.5059383
PROBETA 3 SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ACETONA MERCURIO
peso específico *diámetro*h 0.0882 0.047628 0.046452 -1.19952
4*tensión superficial 291.2 91.2 94.8 1.936
Ɵ 89.982646 89.970078 89.9719251 128.285965
PROBETA 4 SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ACETONA MERCURIO
peso específico *diámetro*h 0.0343 0.027783 0.027097 -0.93296
16
4*tensión superficial
Ɵ
291.2 89.932512 91.2 89.9825455 94.8 89.983623 1.936 118.8096217
GRÁFICAS
AGUA 0,016 Altura capilar (m)
0,014 0,012 0,01 0,008 0,006
Series1
0,004 0,002
0 0
0,001
0,002
0,003
0,004
Diámetro (m)
ALCOHOL 0,007
Altura capilar (m)
0,006 0,005 0,004 0,003
Series1
0,002 0,001 0 0
0,001
0,002
0,003
Diámetro (m)
17
0,004
ACETONA 0,0035 Altura capilar (m)
0,003 0,0025 0,002 0,0015
Series1
0,001 0,0005 0 0
0,001
0,002
0,003
0,004
Diámetro (m)
MERCURIO Diámetro (m) 0 -0,001 0
0,001
0,002
0,003
0,004
Altura capilar (m)
-0,002 -0,003 -0,004
Series1
-0,005 -0,006 -0,007 -0,008 -0,009
18
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Una vez realizada la experiencia de laboratorio acerca de la capilaridad de los fluidos líquidos, se pudo apreciar claramente los efectos que esta produce; evidenciada en el ascenso o en el descenso del líquido ensayado contenido en un beaker y que asciende o desciende por las paredes de un tubo capilar de diámetros variados.
Por otra parte una de las sustancias ensayadas fue el agua, cuya fuerza de adherencia es mayor que la fuerza de cohesión, permitiendo de esta forma que el líquido en su parte superior presente una curvatura hacia arriba y cuyo valor del ángulo de contacto con las paredes del recipiente es posible calcularlo mediante la aplicación de métodos analíticos que relacionan la tensión superficial y el peso específico de las sustancias. En lo que respecta al mercurio, la fuerza de adherencia es menor que la fuerza de cohesión, por lo cual se aprecia claramente que este forma una curvatura hacia abajo.
Igualmente, en lo que respecta al ángulo de contacto se tiene que éste es menor a 90º para cualquier sustancia en la que las fuerzas de adherencia sean más fuertes que las fuerzas de cohesión como lo fue el caso del agua, el alcohol y la acetona, caracterizados en la experiencia por presentar una curvatura de tipo cóncava; contrariamente, si predominaran las fuerzas de cohesión, dicho ángulo sería mayor a 90º y presentaría una curvatura convexa, tal como se evidenció experimentalmente en el mercurio.
19
9. GUÍA DE SÍNTESIS
1) ¿Cuál de los líquidos ensayados asciende con mayor rapidez y por qué?
De los líquidos ensayados, el agua fue la sustancia que ascendió con mayor rapidez debido a que las fuerzas de adhesión fueron mayores que la de cohesión. Igualmente esta rapidez de ascenso de los líquidos a través del tubo capilar depende de las fuerzas ejercidas por parte del líquido con respecto al recipiente; adicionalmente, la capilaridad, está ligada a las fuerzas generadas por la tensión superficial y también por la forma en la que de alguna u otra forma se mojan las paredes del tubo capilar.
2) ¿Cuál de los líquidos ensayados alcanza mayor altura y por qué?
Igualmente, el líquido que registró una altura mayor de todas las sustancias ensayadas fue el agua; hecho que es posible explicarlo mediante el análisis matemático de la fórmula establecida para la determinación de la altura capilar, en donde es posible apreciar la relación proporcional entre la tensión superficial e inversamente proporcional al peso específico de las sustancias ensayadas.
3) ¿Qué aplicabilidad tiene la propiedad de la capilaridad en la industria?
Cite ejemplos. Sin lugar a dudas la capilaridad es una de las propiedades de los fluidos que mayor aplicabilidad tiene en la industria; describiendo su importancia desde las toallas absorbentes para cocina hasta las esponjas de limpieza en el hogar cuyas propiedades son aprovechables en las labores de
20
limpieza. De igual forma esta propiedad también es aplicable en los procesos de soldadura por capilaridad el cual tiene lugar cuando a la junta de un tubo y de un accesorio, posterior a su calentamiento, se le aporta un metal que se funde al contacto con ellos, garantizando de esta forma una soldadura de tipo hermético y resistente.
4) ¿Qué efecto tiene el fenómeno de la capilaridad en las cimentaciones y
muros de edificaciones cuando esta se presenta en los suelos de soporte?
Aunque la capilaridad tiene aplicaciones aprovechables para la industria, sus efectos en algunos casos pueden ser destructivos para las cimentaciones y muros de edificaciones debido a que el agua por sus propiedades sube por las conexiones de soporte de la estructura, provocando de esta manera que la humedad existente en el cimiento debilite el material, que comúnmente es concreto, y se debilite por la acción del agua, concretamente de la humedad que hace que los aditivos que componen la mezcla se separen progresivamente y de esta manera dejar expuesto al acero que refuerza la estructura; y que sumado la corrosión del acero, provocan fisuras y grietas que poco a poco si no son tratadas a tiempo terminan por acabar totalmente con el elemento de apoyo estructural.
5) ¿Qué recomendaciones preventivas se deben hacer para evitar
problemas en las estructuras?
Entre
las
recomendaciones
preventivas
acerca
de
los
problemas
estructurales debidos a la capilaridad está el tratamiento de las mezclas de concreto empleadas en los procesos constructivos mediante aditivos y
21
agentes químicos especiales, basados también en los ya conocidos inclusores de aire, los cuales hacen que el tipo de material gane impermeabilidad y pueda ofrecer un tipo de resistencia mayor a los efectos capilares del agua. Igualmente, una recomendación puntual para la prevención del fenómeno de capilaridad puede ser la inclusión e inyección de resinas en las bases de las cimentaciones para garantizar de esta forma el relleno parcial de los poros que componen las unidades de mampostería.
6) ¿Qué métodos existen para la reparación y protección de las estructuras
que han sido afectadas por este fenómeno?
En lo que respecta a patologías estructurales es clave señalar que con el tiempo han surgido nuevas formas de reparar y restaurar daños producidos por la capilaridad en edificaciones. En primera instancia es primordial verificar bajo estudios precisos y ensayos de compresión el estado preciso del material, para luego diagnosticar si es o no recuperable.
Hay que tener en cuenta que los materiales que han estado expuestos durante mucho tiempo a los estragos de la capilaridad difícilmente pueden ser restaurados o reemplazados debido a que por la acción de la humedad tienden a podrirse y quedan prácticamente inservibles.
Actualmente, en la industria se maneja un tipo de resina que impermeabiliza las superficies expuestas y consiste en la inyección de resina en la base de la estructura, de modo que además de impedir el paso del agua, garanticen una protección adicional al material.
22
10. CONCLUSIONES
Podemos concluir entonces que el aumento de la superficie de un líquido exige un trabajo por unidad de superficie representada por la medida de la tensión superficial de la sustancia.
Igualmente se tiene que mediante el resultado experimental y mediante el análisis matemático respectivo, que la capilaridad de los líquidos ensayados depende en gran manera del peso específico de la sustancia y está en función de las tensiones superficiales de los mismos. En este sentido, también es válida la afirmación de que el fenómeno de capilaridad es fácilmente observable en la cotidianidad en muchos aspectos de la naturaleza.
Por otra parte encontramos entonces, que el ángulo de contacto en algunos de los líquidos ensayados difiere en cuanto a la forma de la curva generada por el mismo, la cual puede ser cóncava o convexa, dependiendo de la magnitud de la fuerza de cohesión y de adhesión del líquido y del material en el cual este está contenido. Adicionalmente al aumentar la profundidad respecto a la superficie en un fluido aumenta la presión interna del fluido por la cual la velocidad de salida también aumenta; por lo que los fluidos tienden a ascender por las paredes del recipiente por el fenómeno de capilaridad para equilibrar su tensión superficial con el peso de la sustancia.
23
BIBLIOGRAFÍA
POTTER, Merle C, WIGGERT, David C. Mecánica de fluidos 2da Edición, Editiorial prentice Hall México.
SERWAY, Raymond, Física, Tomo 1, Cuarta edición, editorial Mc Graw Hill interamericana editores, Bogotá 1997
W: SHANE. Introducción a la mecánica de fluidos, Editorial Mc. Graw Hill.
