Física General II
Tensión Superficial y Capilaridad
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CAPITULO IV TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD
253
Tensión Superficial y Capilaridad
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4.1
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TENSION SUPERFICIAL. Si depositamos con cuidado sobre el agua una aguja de coser de acero engrasada, o cuando depositamos un clip sobre el agua éstos objetos puede flotar, formando en la superficie del agua una pequeña depresión y permanecen sin hundirse, aunque la densidad de la aguja y del clip puede llegar a ser hasta ocho veces mayor que la densidad del agua. Esta experiencia se muestra en la figura 4.1a y 4.1b.
Figura 4.1. Esfera de acero flotando en la superficie de agua. Las fuerzas que soportan la aguja y el clip en dicha posición no son las fuerzas de flotación sino más bien son las fuerzas debidas a la tensión superficial (F st). Por otro lado cuando un tubo de vidrio limpio y de pequeño diámetro, se sumerge en agua, el agua ascenderá en el interior del tubo tal como se muestra en la figura 4.2a, pero si el tubo se le sumerge en mercurio, el mercurio desciende en el tubo como se muestra en la figura 4.2b. El ascenso o descenso se deben a la tensión superficial.
Figura 4.2. (a) Tubo de vidrio sumergido en agua; (b) Tubo de vidrio limpio sumergido en mercurio. El fenómeno de tensión superficial también ha sido observado en la formación de gotas de agua en las hojas de una planta como se muestra en la figura 4.3a, así mismo gracias a éste fenómeno los insectos acuáticos pueden caminar sobre la superficie libre del agua como lo muestra la figura 4.3b
Figura 4.3.
(a) Gotas deagua formadas sobre una pla nta; (b) insecto caminandosobre la superficie del agua.
254
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Todos estos fenómenos y otros de naturaleza análoga muestran la existencia de una superficie límite entre un líquido y otra sustancia. Es decir la superficie de un líquido puede suponerse en un estado de tensión tal que si se considera cualquier línea situada sobre ella o limitándolo, la sustancia que se encuentra a un lado de dicha línea ejerce una tracción sobre la otra situada al otro lado. Esta tracción está en el plano de la superficie y es perpendicular a la línea. Este efecto puede demostrarse utilizando la teoría molecular (ver figura 4.4) es decir una molécula en el interior de un fluido está sometida a las fuerzas de atracción en todas las direcciones dando lugar a una resultante nula tal como puede verse en la molécula A; la molécula B que tiene más moléculas de líquido en la parte inferior de su esfera de acción experimenta una fuerza resultante hacia abajo. La molécula C soporta la acción de una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido, esta situación repetida a lo largo de toda la superficie del líquido produce la contracción de la superficie total del líquido como si se tratase de una membrana elástica. Esta tendencia contráctil produce el fenómeno de tensión superficial.
Figura 4.4 4.2
Descripción molecular de latensión superficial.
ALGUNOS EXPERIMENTTOS QUE MUESTRAN EL FENÓMENO DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL. Una forma experimental como puede mostrarse los fenómenos de la tensión superficial es considerar un anillo de alambre de algunos milímetros de diámetro en el cual se ha instalado un bucle de hilo tal como se muestra en la figura 4.5 a. Cuando el anillo y el bucle se colocan en una disolución jabonosa, al sacarlo de ella se forma una película delgada de líquido en la cual el bucle de hilo flota. Por otro lado si se pincha el interior del bucle de hilo, este toma una forma circular como se muestra en la figura 4.5b, como si las superficies del líquido tirasen radialmente hacia afuera en el sentido de las flechas.
Figura 4.5 (a) Anillo metálico con un bucle de hilo extraído de una solución jabonosa; (b) Anillo de alambre en el que se pincho el centro del bucle.
Debe observarse que antes de pinchar la lámina líquida a ambos lados del hilo actúan las mismas fuerzas de las manera que la resultante de las fuerzas es nula. Otro equipo sencillo que muestra la existencia de la tensión superficial es el mostrado en la figura 4.6, consiste en un trozo de alambre doblado en forma de U y se utiliza un segundo alambre como deslizador. Cuando el sistema se introduce en una disolución jabonosa y posteriormente se saca de ella, el alambre, el alambre de longitud L, se desplaza rápidamente hacia arriba siempre que su peso W1, no sea demasiado grande, y para mantenerlo en
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equilibrio es necesario aplicar una segunda fuerza W2. Aunque parezca extraño la fuerza total F = W1 + W2, mantendrá el alambre en reposo, independientemente del área de la lámina líquida, siempre que la temperatura se mantenga constante.
Figura 4.6. Alambre en forma de U con un alambre móvil AB en equilibrio bajo la acción de la tensión superficial. Aunque una película de agua jabonosa es muy delgada, su espesor es muy grande comparado con el diámetro molecular. Por lo tanto puede considerarse formada por un volumen de líquido limitado por dos capas superficiales cuyo espesor es de algunas moléculas. Cuando se tira hacia debajo de la varilla móvil y se aumenta el área de las láminas, hay moléculas situadas en el interior que se desplazan hacia las capas superficiales.
4.3
COEFICIENTE DE TENSIÓN SUPERFICIAL. Otro dispositivo muy adecuado para poner de manifiesto los fenómenos interfasiales y para comenzar un estudio cuantitativo es el que se muestra en la figura 4.7, el cual consta de un alambre delgado en forma de U y sobre el cual puede deslizar sin rozamiento un alambre ligero móvil de longitud L, extraídos de una disolución jabonosa
Figura 4.7
Trabajo necesario para incrementar el área de la película jabonosa.
Para mantener el alambre móvil en equilibrio o para ampliar el área de la lámina es necesario aplicar una fuerza exterior Fex es decir para ampliar el área a temperatura constante es necesario realizar un trabajo, trabajo que resulta ser proporcional al incremento de área, siendo la constante de proporcionalidad el llamado coeficiente de tensión superficial, γ. Entonces, el trabajo
U, necesario para aumentar el área de la superficie líquida en una cantidad U s A
Donde,
s
es el coeficiente de tensión superficial. ΔA es el incremento de área superficial.
256
A, será (4.1)
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De acuerdo con esta definición el coeficiente de tensión superficial tiene como unidades al joule por metro cuadrado (J/m2) en el SI y al ergio por centímetro cuadrado (erg/cm2) en el c.g.s El trabajo que hay que desarrollar para incrementar el área de la película superficial también se expresa en la forma. U F .r Fi .xi
U F x
Por otro lado el incremento de área superficial debido la aplicación de la fuerza exterior A 2l x
(4.2)
F, esta dado por (4.3)
Remplazando las ecuaciones (4.2) y (4.3) en (4.1), tenemos F x s (2 Lx)
F s
(4.4)
2l
La ecuación (4.4), expresa que, el coeficiente de tensión superficial γ se define como la razón entre la fuerza superficial y la longitud perpendicular a la fuerza a lo largo de la cual actúa. En el sistema internacional el coeficiente de la tensión superficial se expresa en Newton por metro ( N/m) y el sistema CGS absoluto, se expresa en dinas/cm. La equivalencia entre ambas unidades 1 N/ m1000
/ Dinas cm
El valor del coeficiente de tensión superficial de una sustancia líquida pura en contacto con su propio vapor depende de la naturaleza de la sustancia. Si el gas circundante es inerte e insoluble en el líquido y no son intensos los fenómenos de absorción, el coeficiente de tensión superficial depende poco de la naturaleza del gas y su valor respecto al vacío se puede confundir con el valor de st con relación al gas. La experiencia demuestra que el coeficiente de tensión superficial de los líquidos disminuye con el incremento de la temperatura y que dicha disminución es, generalmente, función lineal de la temperatura anulándose cuando la temperatura del líquido se aproxima a la crítica Tk,. En la figura 4.8 se muestra la relación coeficiente de tensión superficial en función de la temperatura para el agua.
Figura 4.8
Relación tensión superficial – temperatura para el agua
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En la Tabla 4.1, se dan los valores de la tensión superficial correspondientes a algunos líquidos.
TABLA 4.1. Valores del coeficiente detensión superficial para algunos líquidos a la temperatura de20ºC
4.4
LIQUIDO
TENSION SUPERFICIAL (N/m)
Agua Mercurio Glicerina Aceite de ricino Benzol Keroseno Alcohol
0,073 0,50 0,064 0,035 0,03 0,03 0,02
SOBREPRESIÓN Y DEPRESIÓN DEBIDA A LA CURVATURA DE LA SUPERFICIE LIBRE DE UN LÍQUIDO. Es sabido que la superficie de los líquidos se comporta como una membrana elástica estirada. Si la película está limitada por un contorno plano, ella misma tiende a adoptar la forma plana. Por lo tanto, si la película es convexa, al tendera ponerse plana presionará sobre las capas líquidas que se encuentran debajo de ella, mientras que si la película es cóncava, tirará de ella, tal como se muestra en la figura 4.9. Es decir,
Toda película superficial curva ejerce sobre le líquido una presión comp lementaria, en comparación con aquella que experimenta dicho líquido cuandola película superficial es plana; si la superficie es convexa, la presión complementari a es positiva (sobrepresión); si es convexa, la presión complementari a es negativa “
(depresión)”.
Figura 4.9 4.4.1.
Acción de la curvatura de una superficie: (a) Sobrepresión; (b) Depresión.
Presión complementaria para una superficie del líquido de forma esférica.
Consideremos que el radio de la esfera es R y aislemos en la superficie un casquete esférico de área ΔA como se muestra en la Fig. 4.10. Las fuerzas de tensión superficial aplicadas al contorno del casquete son tangentes a la superficie esférica. La fuerza F, aplicada al elemento diferencial L de dicho contorno está dado por F s L
(4.5)
Debido a que esta fuerza es tangente a la superficie esférica, forma cierto ángulo con el radio OC. Por lo tanto, la componente de la fuerza paralela al radio OC, no será igual a cero. Es decir existirá una sobrepresión. Del gráfico se observa que F1 F .sen
(4.6)
F1 S L.sen
(4.7)
Al sustituir la ec. (4.5) en (4.6), se obtiene
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Figura 4.10. Casquete esférico de área
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A, tomado de una esfera de radio R para d eterminar la sobrepresión.
Debido a que alrededor del casquete existe un conjunto de fuerzas análogas a radio OC, es F1 F1 S sen L.
F1, la fuerza resultante paralela al
(4.8)
La suma L, es la longitud del contorno que limita al casquete esférico. Este contorno en una circunferencia de radio r, por lo tanto, L = 2 r, y la ecuación4.8) ( se escribe
F1
S
2 .r sen
(4.9)
Del gráfico se observa además
sen
r R
(4.10)
Remplazando el valor de la ec.(4.10) en (4.9), se tiene
F1
2 .r 2 S
(4.11)
R
Por otro lado, la fuerza debida a la diferencia de presiones entre el interior y exterior del casquete (p – p 0), viene expresado por F p
p p A
(4.12)
0
Esta fuerza es perpendicular a la superficie tal como muestra la figura 4.11. La componente de esta fuerza en dirección vertical será F p
p p A' cos 0
(4.13)
Pero ΔAcosφ, es el área proyectada sobre un plano perpendicular al eje Y, es decir la fuerza en dirección vertical será F p
p p Aproy
259
0
.
(4.14)
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La fuerza total en la dirección vertical se expresa
F p F p p p 0 Aproy .
(4.15)
Al proyectar toda la superficie del casquete de radio r se obtiene un círculo de área Aproy = πr2, entonces la ecuación (4.15) se escribe
F p p p 0 .r 2
(4.16)
En la dirección Y, las fuerzas debido a la diferencia de presiones y la debida a la tensión superficial se compensan, por tanto se tiene
Fy 0
p p .r 0
2
p
Figura 4.11
2 .r
2
S
R
2 S
R
(4.17)
F uerza debida ala diferencia de presión para una gota
La ecuación (4.17) indica que si el coeficiente de tensión superficial permanece constante (temperatura constante), el exceso de presión en el interior de la gota es tanto mayor cuanto menor sea su radio. Por consiguiente si dos gotitas de diferentes tamaños, de un mismo líquido, se ponen en contacto, la mayor engullirá a la menor. Este fenómeno, llamado coalescencia , se presenta cuando en un recinto isotermo se encuentran presentes gotitas de diferentes tamaños de un mismo líquido. El fenómeno puede explicarse también desde el punto de vista energético, ya que el sistema tenderá adoptar como configuración de equilibrio estable aquélla que corresponda a un mínimo de energía potencial, es decir, aquella a la que corresponda un mínimo de extensión superficial para un mismo volumen total. La tensión superficial es uno de los factores más importantes de entre los que determinan el tamaño de las gotitas líquidas que forman los humus y las nieblas (aerosoles). Cuando un líquido está en contacto con su propio vapor a través de una interfase plana, la presión de la fase gaseosa recibe el nombre de presión de vapor. La presión de vapor de unas sustancia dad aumenta con la temperatura; así, las presiones de vapor del agua a 20°C y a 100°C son 17,533 y 760 Torr, respectivamente. El equilibrio al que nos referimos es un equilibrio dinámico, esto es, durante un intervalo de tiempo dado, el número de moléculas que pasan de la fase líquida a la de vapor a través de la superficie interfasial, es igual al que pasa de la fase gaseosa a la líquida. En el caso de una superficie curvada el equilibrio interfasial se establece cuando la presión capilar, es decir la diferencia de presiones p – p 0, es igual a la presión de vapor . Esta condición determina el tamaño de la gotas más pequeñas que pueden permanecer sin evaporarse en una atmósfera de vapor saturante.
260
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4.4.2.
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Presión complementaria para una lámina de líquido de forma esférica. Pompas
Consideremos una lámina esférica (pompa de jabón) muy delgada de tal manera que los radios interior y exterior sean iguales a R. Para determinar la fuerza debido a la tensión superficial aislemos un casquete esférico de radio r, tal como se muestra en la figura 4.11.
Figura 4.11
Casquete esférico aislado para determinar las fuerzas debido a la tensión superficial.
La componente de la fuerza
F, paralela al eje X, en este caso es F1 F.sen
Teniendo en cuenta que
(4.18)
F = SΔL, la ec. (18), se escribe en la forma F1 S L.sen
(4.19)
La fuerza resultante total en dirección horizontal es F1 F1 S sen L.
(4.20)
Del gráfico se observa que
L 22 .r
(4.21)
En donde se considera el doble de la longitud de la circunferencia de radio r, por el hecho de existir dos superficies, una exterior y la otra interior, entonces al remplazar la ecuación (4.21), en la ecuación (4.20), se tiene
F1 S 4 .r sen
(4.22)
Teniendo en cuenta que senφ = r/R, la ecuación (4.22) se escribe 2
F1
4 .r
S
R
Por otro lado, la fuerza debida a la diferencia de presiones que actúa sobre el elemento de área
F p p p 0 A'
261
(4.23)
A’, está dado por (4.24)
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En donde p, es la presión del aire en el interior de la burbuja y p 0 es la presión atmosférica. Esta fuerza es perpendicular a la superficie y actúa tal como se muestra en la figura 4.13, entonces la componente horizontal es F p
Puesto que escribe
A’ cos
p p A' cos 0
(4.25)
, es el área de la superficie proyectada en un plano perpendicular al eje X, la ec. Anterior se F p
p p Aproy 0
(4.26)
.
La fuerza resultante en la dirección horizontal se expresa
Fp , x Fp p p0 Aproy.
(4.27)
Al proyectar toda la superficie del casquete de radio r se obtiene un círculo de área Aproy = πr2, entonces la ec. (4.27) se escribe
Fp , x
p
p0 .r 2
(4.28)
Debido a que en la dirección horizontal existe equilibrio, la resultante de todas las fuerzas en esta dirección es nula, es decir
Fx 0 p p0 .r 2 p
4 S
R
4 .r 2 S
R (4.29)
La ecuación (4.29) indica que la para de esférica, tensión superficial presión complementaria, es directamente proporcional al radio R,un decoeficiente la superficie es decir laconstante diferencialade presión es mucho mayor cuando el radio es menor, esto es, si se soplan dos burbujas en los extremos de un tubo, la más pequeña obligará al aire a entrar en la grande. En otras palabras la más pequeña se hará aún más pequeña y la grande incrementará su volumen.
Figura4.13. F uerza debido a la diferencia de presiones en una burbuja. La diferencia de presiones puede ponerse de manifiesto mediante el sencillo dispositivo mostrado en la figura 4.14a, que incluso nos permite determinar el coeficiente de tensión superficial s de la disolución jabonosa empleada para producir la pompa. Para ello basta medir el radio R de la pompa y deducir el valor de Δp a partir del desnivel h que se observa en el tubo manométrico acoplado. La ecuación (4.29) pone de manifiesto que cuando mayor es la pompa menor es la presión int erior en la misma. Este efecto puede demostrarse fácilmente soplando dos pompas de jabón en los extremos del tubo de la figura 4.14b. Cuando se cierra la llave A y se abren las llaves B y C, el aire pasará de la pompa más pequeña hacia la
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mayo, de modo que la pompa más pequeña se hará aún menor y la más grande crecerá. Por otro lado si las pomas tienen el mismo tamaño existirá un equilibrio inestable.
Figura 4.14
4.4.3.
(a) dispositivo para medir la tensión superficial de una burbuja, (b) dispositivo que muestra el efecto del radio de curvatura en la tensión superficial de una pompa
Presión bajo la superficie curva de un líquido de forma cualquiera.
Para determinar la diferencia de presión bajo una superficie de forma arbitraria, en primer lugar, existe la necesidad de conocer lo que es curvatura de una superficie en general θ En la figura 4.15, se muestra una superficie cualquiera, en donde se ha trazado una perpendicular a la superficie que pasa por O. Al trazar un plano P 1 por la normal, la intersección de este plano con la superficie se genera una sección normal.
Figura 4.15
E squema para mostrar la curvatura de unasuperficie.
Para el caso de una esfera, cualquier sección normal es un arco de circunferencia A1B1, cuyo radio coincide con el de la esfera. La magnitud C = 1/R, se le conoce con el nombre de curvatura de la esfera. Para el caso de una superficie de forma arbitraria, el trazado de diferentes secciones normales por el punto O dará diferentes curvas geométricas y por tanto diferentes curvaturas. En la Fig. 4.14, se muestran dos secciones normales diferentes trazadas por el mismo punto O. Una de estas secciones de la curva da el arco A1B1 y la otra el arco A2B2, siendo sus radios de curvatura R 1 y R2, respectivamente. La curvatura media de la superficie en el punto O, se expresa como
C
1
R1
263
1
R2
(4.30)
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Consideremos ahora una superficie del líquido de forma arbitraria y por el punto O tracemos dos secciones normales A1B1 y A2B2, tal como se muestra en la figura 4.16, los radios de curvatura de las secciones normales so R1 y R2.
Figura 4.16 F uerzadebido ala tensión superficial para una superficie de formaarbitraria Teniendo en cuenta que la figura es un cuadrilátero curvilíneo, entonces longitud de DG y EF, entonces el área del cuadrilátero será
A L1
L2
L1 será la longitud de DE y ΔL2 la
.
(4.31)
La fuerza debido a la tensión superficial en el borde DE, será
F1 S L1 La componente de
(4.32)
F1 en dirección del radio OC1 es diferente de cero, por tanto F1 ' F1 sen
(4.33)
De la figura se obtiene la relación trigonométrica
sen 1
OA1
L 2 2
R1
A1 C1
L2
sen1
2 R1
(4.34)
Al sustituir la ec (4.34) en (4.33) se obtiene '
F1
S L1L2 2 R1 '
F1
S A 2 R1
En el borde GF actuará una fuerza semejante a la dada por la ecuación anterior.
264
(4.35)
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'
F1
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S A
(4.36)
2 R1
Siguiendo el mismo procedimiento se determina la fuerza de tensión superficial en el borde DG, obteniéndose S A
'
F2
(4.37)
2 R2
Y el borde EF habrá una fuerza análoga a la dada por la ecuación (4.37) '
F2
S A
(4.38)
2 R2
La fuerza neta sobre el cuadrilátero debido a la tensión superficial será
A A F ? 2 S 2 S 2 R1 2 R2
(4.39)
Las fuerzas debidas a la diferencia de presiones se expresan en la forma
F p
p p A
(4.40)
0
Como las fuerzas debido a la diferencia de presiones se ven equilibradas por las fuerzas debido a la tensión superficial, resulta '
F F p
p p A S A 0
1
R1
p p S 0
1
R1
1
R 2
1
R2
(4.41)
A la ecuación (4.41) se le denomina fórmula de Laplace, esta debida a la superficie de un líquido de forma arbitraria. Así por ejemplo si la superficie es de forma esférica, los radios de curvatura son iguales, entonces la ec. (4.41) se escribe
p p0
1 1 S p R R
p0
2 S
R
Por otro lado si la superficie es un cilindro de revolución, uno de los radios de curvatura es infinito y el otro es igual al radio del cilindro R, por lo tanto, se tiene
p p0 S 1 1
4.5.
R
p p0
S
R
(4.42)
ANGULOS DE CONTACTO Las secciones anteriores se limitaron al estudio de los fenómenos de tensión superficial en láminas que separan un líquido de un gas. Sin embargo, existen otros límites en los cuales se observa la presencia de láminas
265
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superficiales. Uno de estos límites aparece entre la pared sólida y un líquido, y otra entre la pared sólida y un fluido gaseoso. Estos límites se muestran en la figura 4.17, conjuntamente con sus láminas. Debe notarse además que las láminas solo tienen espesores de algunas moléculas y a cada lámina se encuentra asociada una determinada tensión superficial. Así por ejemplo: FSL = Tensión superficial de la lámina sólido-líquido FSV = Tensión superficial de la lámina sólido -vapor FLV =Tensión superficial de la lámina líquido-vapor
Figura 4.17. Láminas que delimitan los límites: sólido– líquido –vapor. La curvatura de la superficie líquida en la cercanía de la pared sólida depende de la diferencia entre la tensión superficial sólido-vapor (F SV) y la tensión superficial sólido-líquido (F SL). Para determinar la relación entre estas tensiones superficiales, se traza el DCL de una porción de láminas en la intersección como se muestra en la figura 4.18, y se aplica las ecuaciones de equilibrio
(a)
Figura 4.18.
(b)
(c)
(a) Diagrama decuerpo libre delas láminas sólido-líquido-vapor para el I oduro demetileno en contacto con vidrio, (b) menisco cóncavo y (c) I nteracción molecular entre moléculas del sólido (vidrio) y el líquido (agua).
Las ecuaciones de equilibrio según las direcciones mostradas proporcionan.
Fx 0 A FLV sen
(4.43)
Fy 0 FSV
FSL
FLV cos .
(4.44)
Donde A, es la fuerza de atracción entre la posición aislada y la pared, y se denomina fuerza de adhesión. La ecuación (4.43) nos permite determinar la fuerza de adhesión conocida la tensión superficial líquido-vapor y el
266
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ángulo de contacto θ, mientras que la ecuación (4.44) muestra que el ángulo de contacto, el cual es una medida de la curvatura de la superficie del líquido-vapor adyacente a la pared, depende de la diferencia entre la fuerza de tensión superficial sólido-vapor y de la tensión superficial sólido-líquido. En la figura 4.18, se observa que FSV es mayor FSL, entonces cosθ es positivo y el ángulo de contacto está comprendido entre 0º y 90º, en estas condiciones se dice que el líquido moja a la pared sólida. FSV > F
(4.45)
En esta situación se observa que la fuerza de adhesión es mayor que la fuerza de cohesión entre las moléculas del líquido como se muestra en la figura 4.19a.
Figura 4.19
(a) F uerzas de adhesión y cohesión en la interfase vidrio-agua, (b) fuerzas de cohesión y adhesión en la interfase vidrio-mercurio
Por otro lado, cuando interactúa un fluido como el mercurio con una pared sólida como el vidrio, la curvatura de la superficie es convexa como lo muestra la figura 4.20.
(a)
Figura 4.20
(b)
(c)
(a) DCL de las láminas sólido-líquido-vapor para el mercurio y el vidrio, (b) menisco convexo y (c) interacción entre las o mléculas del vidrio y las de mercurio
Aplicando las ecuaciones de equilibrio al DCL de la porción de láminas en la intersección de la pared sólida i líquida, se obtiene
Fx 0 A FLV sen180º Fy 0
267
(4.46)
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cos 180º
(4.47)
En este caso el ángulo de contacto es mayor que 90º y menor que 180º, por tanto la fuerza de tensión superficial sólido-vapor es menor que la fuerza de tensión superficial sólido-líquido. En estas condiciones se dice que el fluido no moja al vidrio. FSV < F
(4.48)
Para esta situación se observa que la fuerza adhesiva es menor que la fuerza cohesiva. Finalmente, si se pone en una de aproximadamente plata con un fluido90º. líquido como el agua, como se muestra de en figura 4.21, se observa quecontacto el ángulo desuperficie contacto es En estas condiciones las ecuaciones equilibrio nos dan
Fx 0
A FLV
(4.49)
Fy 0 FSV
Figura 4.21
FSL
(4.50)
DCL de la intersección de lám i nas: sólido-líquido-vapor para el agua en contacto con una pared deplata.
Debe aclararse además que un mismo líquido puede mojar unos sólidos y no mojara a otros, así por ejemplo, el agua moja perfectamente la pared de vidrio limpio pero no moja a una pared de parafina; en forma análoga el mercurio no moja el vidrio pero si a una pared de hierro. Cuando un fluido líquido moja a un sólido en forma de tubo de diámetro pequeño, su superficie libre es cóncava, mientras que si el fluido no moja al tubo la superficie es convexa. A estas superficies curvas se le llaman meniscos. Por otro lado el agregado de impurezas a los líquidos modifica considerablemente el ángulo de contacto como se muestra en la figura 4.22.
Figura 4.22
E fecto del añadido de impurezas a los líquidos sobre la tensión superficial: (a) agua con detergente, el líquido moja la superficie (
< 90°); (b) agua con keroseno ellíquido no moja la superficie (
268
> 90°)
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4.6
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CAPILARIDAD. Uno de los efectos más importantes de la tensión superficial es la elevación de un fluido líquido en un tubo abierto de radio muy pequeño. Este fenómeno es conocido como capilaridad y a los tubos donde se presenta este efecto se les llama capilares (análogo a cabello). En el caso donde el fluido líquido moja a la pared, el ángulo de contacto es menor que 90º, en esta situación el fluido se eleva una altura h hasta alcanzar el equilibrio tal como se muestra en la figura 4.23.
Figura 4.23
Ascenso de un fluido en un capilar.
Para determinar la altura h en primer lugar se traza el DCL de la masa líquida ABBCD que ascendió, como se muestra en la figura 4.24, sobre ella se observa que actúan las fuerzas: la tensión superficial (FS), el peso de la masa líquida (W), la fuerza debido a la presión atmosférica sobre CD y la fuerza debido a la presión sobre la superficie AB.
F igura 4.24
DCL del fluido queascendió en el capilar.
Aplicando las ecuaciones de equilibrio se tiene
Fy 0 FS
W
(451)
Si el radio interior del tubo es r, el fluido líquido estará en contacto con la pared del capilar a lo largo de una longitud (2 r), entonces la fuerza debido a la tensión superficial en la dirección vertical será
269
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FS LV 2 .r cos
(4.52)
Además el peso del líquido que se extiende desde la concavidad hasta la línea AB, será
W
gV
g .r
2
h
(4.53)
Remplazando la ecuación (4.52) y (453) en la ec. (4.51), resulta
h
2 LV cos
gr
(4.54)
La ecuación anterior muestra que la altura a la que se eleva un fluido líquido será tanto mayor cuanto menor es el radio r del capilar como se muestra en la figura 4.25a. Por esta razón se vuelve notorio el ascenso del líquido en tubos de radios muy pequeños. Por otro lado la elevación será mucho mayor, cuanto más grande sea el coeficiente de tensión superficial. Además si el líquido moja perfectamente (θ = 0º), la ecuación (4.54) puede escribirse
h
2
LV
gr
(4.55)
Cuando el líquido no moja la pared del tubo, el menisco es convexo, en este caso la presión complementaria es positiva y el nivel del líquido en dicho tubo es inferior al de la superficie libre en la vasija, esta situación se muestra en la figura 424b, la altura h que desciende el fluido en el capilar se determina también con la ecuación (4.54).
Figura 4.25
(a) La elevación del uido fl en el capilar depende del radio del tubo, (b) Descenso de un fluido líquido en un capilar.
Debe recalcarse que los fenómenos capilares son de gran interés en la vida cotidiana, un ejemplo lo constituye la infiltración del agua en un determinado suelo, otro ejemplo lo constituye el funcionamiento de las mechas, la absorción del agua por el algodón hidrófilo, etc.
270
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
PROBLEMAS RESUELTOS
K x
S
S
S
32, 4.10
d1 d 2
Problema 1. Un anillo de 25 mm de diámetro interior y 26 mm de diámetro exterior está colgado de un resorte, cuyo coeficiente de deformación es igual a 0,98 N/m, y se encuentra en contacto con al superficie de un líquido. Al descender la superficie del líquido el anillo se desprendió de ella en el momento en que el resorte se
Solución
d 1 25mm;..d 2 26mm;..K 0,98 N / m;..
3
25 26 10 3
3
N / m........................... Rta.
Sobre un bastidor vertical ABCD mostrado en la figura, provisto de un travesaño móvil MN, hay extendida una película de agua jabonosa. (a) ¿Qué diámetro deberá tener el travesaño de cobre MN para poder estar en equilibrio?. (b) ¿Qué longitud tiene este travesaño si sabemos que para desplazarlo 1 cm hay que realizar un trabajo igual a 4,5.10 -5 J?. Para el agua jabonosa S = 0,045N/m.
Datos e incógnitas.
5,3mm;.. S
0,98 5,3.10
Problema 2.
había alargado 5,3 mm. Hallar el coeficiente de tensión superficial del líquido.
x
Optaciano Vásquez García
?? .
En la figura se muestra el DCL del anillo, sobre el actúan las fuerzas: la fuerza elástica (F e), el peso del anillo (W) y la fuerza debido a la tensión superficial (FS).
Solución Parte (a). Datos e incógnitas
S
El valor de la fuerza de tensión superficial es
FS FS
S
Aplicando las ecuaciones de equilibrio se tiene Fy 0
Fe FS W ...........................(2) Debido a que el peso del anillo es despreciable, la ecuación anterior se escribe en la forma FS Fe
. S d1d
2
Kx
0,045N / m;.. Cu
3
8600kg / m ;..d
??.
En la figura se muestra el DCL del travesaño en la posición de equilibrio, sobre el actúan las fuerzas: la fuerza de tensión superficial (F S) y el peso (W).
longitud 2 .r 2 .r S 1 2 S d 1 d 2 .....................(1)
271
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
La fuerza debido a la tensión superficial es
FS FS
después que la anterior, hallar cuánto tiempo tardará en salir 10 gramos de alcohol. El diámetro del cuello de la gota en el momento en que ésta se desprende tómese igual al diámetro interior del tubo.
longitud 2 L
S
S
2 S ....................(1)
Optaciano Vásquez García
Solución Datos e incógnitas
El peso del travesaño es
d
W mg gV
2mm;..t
1s;..t T
??;..m alcohol
10 gr ;
0,02 N / m
al .
d 2 L ......................(2) 4
W g
En la figura se muestra el DCL de la gota un instante antes de desprenderse del tubo, sobre ella actúan: el peso de la gota (W) y la fuerza de tensión superficial (FS).
Aplicando las ecuaciones de equilibrio se tiene Fy 0
FS W ........................(3)
Remplazando las ec. (1) y (2) en (3), resulta 2 S L
d
d
2
L g
4 8 S
g
8(0,045 )
(8600)(9,8)
Aplicando las ecuaciones de equilibrio se tiene
d
1,17 mm.......................Rta.
Fy 0 FS W S
Parte (b)
S
Datos e incógnitas S
L ??;..y 1cm;.. S
0,045 N / m;..U
45 J
d 2 . mg 2
m
Se sabe que el trabajo para incrementar el área de la película jabonosa es proporcional al área, siendo la constante de proporcionalidad el coeficiente de tensión superficial, entonces se tiene
S d
g
0,022.10 3 9,8
m 0,0128kg
Para determinar el número de gotas (N), que hay en 10 gramos de alcohol se usa una regla de tres simple, esto es
U S A U S
longitud mg 2 .r mg
( 2 Ly )
por tan to 1gota
6
L
U 2 S y
45.10 20,045 10 2
N
0,0128kg
10.10 3kg
entonces
L 5cm...................................Rta.
N
780 gotas
Problema 3. Finalmente se determina el tiempo que demora e salir 10 gramos de alcohol
El alcohol que hay en un recipiente aislado sale a través de un tubo vertical que tiene 2 mm de diámetro interior. Considerando que cada gota se desprende 1 segundo
272
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
tT
tT
N .t
780 gotas 1seg
780 seg
Optaciano Vásquez García
T ??;.. hg 13600kg
3
/ m ;..r
1mm;..R
En la figura se muestra las gotas en estado inicial y final.
13 minutos............. .....Rta.
Problema 4. De un tubo vertical cuyo radio interior es 1 mm gotea agua. Hallar el radio de las gotas en el momento de desprenderse. Considerar que las gotas son esféricas. El diámetro del cuello de la gota en el momento de desprenderse tómese igual al diámetro interior del tubo.
Solución
En primer lugar se determina el área total de las gotas pequeñas A
Datos e incógnitas. S 0,073 N
2 4 .r 2
8 .r 2 ................(1)
En forma análoga se determina el área de la gota formada después de la unión de las gotas pequeñas
/ m;..r 1mm;..R ?? :
En la figura se muestra el DCL de la gota en un instante antes de desprenderse del tubo, las fuerzas que obran son: el peso de la gota (W) y la fuerza de tensión superficial (FS).
A
4
R
...........................(2)
2
La energía liberada al disminuir la superficie, como consecuencia de la unión de las gotas será E U i ff
A A0 Hg
2
2
8 .r 4R E 4 2r R
2
Hg
2
Hg
.................(3)
Como no se conoce el valor de R se determina teniendo en cuenta que la masa del fluido antes de la unión de las gotas es igual a la masa del fluido después de la unión, es decir m1
Aplicando las ecuaciones de equilibrio se tiene
m2
M
2m M F y 0 FS W
2 V r
S longitud mg
2
S 2 .r R g
R3
3 S r 2 g
4 3
3
3
4 3
.r
3
R
30,073.10 3
V R
4 3
R
r
3
3
2 ...........................(4)
Remplazando la ec.(4) en (3), resulta
21000 9,8
2 E 4 2r 2 r.3 2 Hg
R 2,23 mm..........................Rta.
2
4 .r 2 2 2 3 Hg 2 4 10 3 2 2 3 0,5 E 2,57.10 6 J ............................(5)
Problema 5. ¿Cuánto se calentará una gota de mercurio que resulta de la unión de dos gotas que tienen 1 mm de radio cada una?.
La energía de 2,57.10-6 J, se utiliza para el calentamiento de la gota de mercurio formada. Según la calorimetría se tiene
Solución Datos e incógnitas
273
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
E
0, 24 2,57.10 6
Datos e incógnitas
mHg ce T
4 3
Hg
R
3
0, 033
T
43 2 .10 1 3
0,2 4 2,5 7.10 6 13600
T 1,64 .10
Optaciano Vásquez García
4
Cº ......... Rta
3
pa
3
(0,0 33)
T
??;..d
0,01mm;..h
20 cm;.. p 0
765 mmHg
En la figura se muestra la burbuja ubicada en el interior del agua.
.
Problema 6. ¿Qué trabajo hay que realizar contra las fuerzas de tensión superficial para aumentar al doble el volumen de una pompa de jabón que tiene 1 cm de radio? El coeficiente de la tensión superficial del agua jabonosa tómese igual 0,043 N/m.
Solución Datos e incógnitas r1 1cm;.. S 0,043 N / m;..U ?? .
Siendo la presión interior del aire p a y la presión p en un punto inmediatamente fuera de la burbuja, la diferencia de presiones se expresa como
En primer lugar se determina el nuevo radio de la pompa debido al aumento de volumen V2 4 3
2V1
.r23 2 43 .r13
r2 r2
r1 3 2
p
pa
p
10 2 2 ........................(1)
A1
A1
S
R 4
d
1 3
S
........................(1)
Utilizando la hidrostática se obtiene la presión p
Se procede ahora a determinar el área total de la superficie de la pompa,
p p0
2 4 .r12 .........................( 2)
gh........................(2)
Remplazando la ec. (2) en (1), se tiene
2 4 .r22 ........................(3)
pa
El trabajo se procede a determinar mediante la ecuación
pa
8 Hg r22 r12
2 2 8 0,043 2 .10 2 10 2 1 3
4
S
p0
gh
p0
9800(0,2)
U i ff A2 A1 S
p0
d 40,073 0,01.10
3
2
31160 N / m .............(3)
En seguida se procede a convertir la presión de 31160 N/m2 a mmHg
U 64 J................................Rta. i
2
pa
ff
1mmHg 133 ,3N / m 2
Problema 7 Determinar la presión del aire (en mm de Hg) que hay dentro de una burbuja de diámetro d = 0,01 mm que se encuentra a la profundidad de h = 20 cm bajo la superficie libre del agua. la presión atmosférica exterior es p0 =765 mmHg.
X
31160N
X
/ m2
233 ,76 mmHg..............(4)
Remplazando la ecuación (4) en (3), resulta
Solución
274
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Optaciano Vásquez García
Solución
p a 765 mmHg 233 ,75mmHg
Parte (a) p a 998 ,76 mmHg................Rta.
Datos e incógnitas d 1mm;..h 2,8cm;..R ??;..H ' ??.
Problema 8.
En la figura se muestra el DCL del agua ubicada dentro del capilar
La presión atmosférica que hay dentro de una pompa de jabón es de 1 mmHg mayor que la atmosférica. ¿Qué diámetro tiene esta pompa?. El coeficiente de la tensión superficial de la solución jabonosa tómese igual a 0,043 N/m.
Solución Datos e incógnitas.
p
p0
1mmHg;..d
??;.. S
0,073 N / m
En la figura se muestra la situación descrita en el enunciado
Aplicando las ecuaciones de equilibrio se tiene
Fy 0 F AB FS W FCD ...........(1)
La diferencia de presión para una pompa de jabón viene expresada por la relación
pa pa
p0 p0
4
Debido a que las fuerzas F AB y FCD son debidas a la presión atmosférica y actúan en la misma área, entonces se cancelan y la ec. (1) se escribe FS W
S
R 8
S
d
Entonces el diámetro será
d
d
8 S
pa
8 0,0 43 N / m
p0
133,3 N / m
Despejando
1mmHg
8 0,0 43 N / m
2
2
2
S LC cos
mg
S 2 .r cos
gV
S 2 .r cos
g .r 2
.g .r.h
cos
cos
0,9 39726
h...........(2)
se obtiene
2 S
9800 0,5. 103 2,8.10
20,073
20º................(3)
De la geometría del menisco se obtiene
Problema 9. En un recipiente con agua se introduce un tubo capilar abierto cuyo diámetro interior es d =1 mm. La diferencia entre los niveles de agua en el recipiente y en el tubo capilar es h = 2,8 cm. (a) ¿Qué radio de curvatura tendrá el menisco en el tubo capilar?.(b) ¿Cuál es la diferencia entre los niveles del agua en el recipiente y en el tubo capilar si este líquido mojara perfectamente?.
275
2
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
cos R
R
0,939726
r
h
R
0,5
h
0,939726 0,532 mm........ ......Rta.
Optaciano Vásquez García
2 S cos
.g .r 20,03 cos0º
880 9,8 0,5.10
3
h 13,9 mm.....................Rta.
Parte (b) Cuando el fluido moja perfectamente la superficie el ángulo de contacto es altura en este caso será h'
h'
=0º, entonces cos
Problema 11
=1, y la
Hallar la diferencia de alturas a la que se encuentra el mercurio que hay en dos tubos capilares comunicantes cuyos diámetros respectivos son d1 =1 mm y d 2 =2 mm. Considere que el mercurio no moja en absoluto.
2 S cos 0º
.g .r
Solución
20,073
9800 0,5.10
3
Datos e incógnitas
2,98 cm........ .......... .Rta. r1 0,2mm;..r2 1mm;.. 180 º ; S 0,5N / m h ?? .
Problema 10 ¿Hasta qué altura se elevará el benzol en un tubo capilar cuyo diámetro interior es 1 mm?. Considere que el benzol moja perfectamente.
En la figura se muestra la ubicación del mercurio en los capilares comunicantes
Solución Datos e incógnitas h ??;..r 0,5mm;..
S
0,03N
/m
2
En la figura se muestra el DCL del benzol dentro del capilar
La sobrepresión p1, producida por la superficie convexa del mercurio en la rama más delgada del tubo, se equilibra con la debida a la diferencia entre los nivele de Hg, en ambas ramas y con la sobrepresión p2 en la rama ancha, esto es
p1
p2
.g.h..............(1)
Como el mercurio no moja en absoluto, entonces se tiene que =180º, y las presiones complementarias será
Del problema anterior se tiene que
276
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
p1 p2
2 S
r1
h
...................(2)
2 S
r2
.................(3)
Remplazando la ec.(2) y (39 en (1), resulta 2 S
r1
h
h
h
2 S
r2
h
. g .h
2 S r2 r1 .g .r1 .r2
20,5 1.10
3
Optaciano Vásquez García
2 S cos
.g .r 4 S cos 0º
.g .d 40,03
800 9,8 10.10
3
0,15 mm........ .......... ...Rta.
Problema 13 0,5.10
3
136009,8 0,5 1 .10
6
Un tubo capilar de 2 mm de radio interior se introduce en un líquido. Hallar el coeficiente de tensión superficial del líquido sabiendo que la cantidad de éste que se eleva por el tubo capilar pesa 88.10 -2 N.
Solución
7,5 mm........ .......... ......Rta.
Datos e incógnitas
Problema 12 r
¿Qué diámetro máximo pueden tener los poros de la mecha de una hornilla de petróleo par que este último suba desde el fondo del depósito hasta el mechero de la hornilla (esta altura es h = 10 cm)?. Considerar que los poros son tubos cilíndricos y que el petróleo moja perfectamente.
2mm;.. S
??;..WL
88.2.10
2
N
En la figura se muestra el DCL del fluido en el capilar y las fuerzas que actúan sobre el fluido
Solución Datos e incógnitas
d
S
??;..h
10cm;..
0º ;.. P
800 kg / m
3
0,03N / m.
En la figura se muestra el DCL del petróleo en capilar formado en la mecha.
Del equilibrio de fuerzas se tiene Fy 0
S LC cos W S 2 .r cos W ............(1) Asumiendo que el fluido moja perfectamente el capilar cosθ = 1, entonces la ec. (1) se escribe S 2 .r W
La altura del petróleo en el capilar se determina a partir de la ecuación.
277
S
S
W 2 .r
7,02.10
88,2.10 2
2 2.10 3 2
N / m.........Rta.
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Problema 14.
S
Un tubo capilar cuyo radio es r =0,16 mm está introducido verticalmente en un recipiente con agua. ¿Qué presión deberá ejercer el aire sobre el líquido que hay dentro del tubo capilar para que éste se encuentre al mismo nivel que el agua que hay en el recipiente ancho?. La presión exterior es p0=760 mmHg. Considere que el agua moja perfectamente.
Optaciano Vásquez García
0,073 N / m;..R
??;..p 0
750 mmHg.
En las figuras se muestran al tubo capilar antes y después de sumergirlo
Solución Datos e incógnitas
r 0,16mm;.. S 0,073 N / m;.. p ?? p 0 760 mmHg 101308 N / m 2 Para que el fluido se ubique al mismo nivel que el agua en el depósito se debe insuflar aire como se muestra en la figura.
(a) antes de sumergir
(b) después de sumergir.
Antes de sumergir el tubo, la presión y el volumen del aire atrapado dentro del tubo son y
p0
V0 ..............(1)
Después de sumergir el tubo en el fluido, la presión y el volumen del aire atrapado serán
y
p
V
(2)
Según la ley de Boyle, debe cumplirse que
pV Analizando el menisco que forma el fluido se tiene 2 S p p' R 2 S p p' R 2 0,0 73 p p0 0,16.10 3
p 0V0 .......................(3)
En la figura se muestra la posición del tubo en el fluido
p
102220,5 N / m 2
p
767 mmHg................Rta.
Problema 15. Un tubo capilar está introducido verticalmente en un recipiente con agua. El extremo de este tubo está soldado. Para que el nivel del agua fuera igual dentro del tubo que en el recipiente ancho hubo que sumergir el tubo en el líquido hasta el 15% de su longitud. ¿Qué radio interior tendrá el tubo?. La presión exterior es igual a 750 mmHg. Considerar que el agua moja perfectamente.
La presión se calcula a partir del menisco formado por el fluido dentro del tubo
p p0
Solución
2 S
R
p p0
Datos e incógnitas
278
2 S
R
................(4)
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Remplazando la ec. (4) en (3) y teniendo en cuenta que V0 = A0h0, se tiene
d1 S
R 2 S
p 0 h0
1,5cm;.. Hg
0,5 N / m;..h
pA
??;..p 0
p0
h0 h1
2 S h0
p
.......................(5)
1,5 100
13600kg / m
3
758 mmHg.
pB
.g.h............(1)
2 S
pB pV , Hg
p0
p 0 h1
Teniendo en cuenta la curvatura del menisco, se tiene
p
B
V , Hg
4 S
d
R ................(2)
Remplazando la ec. (2) en (1), resulta
Teniendo en cuenta que h1 =(1.5/100)h0, la ecuación (5) se escribe
h0 h1
R
R
5mm;..d 2
De la hidrostática se tiene
2 S p 0 R h0 h1 A0 p 0 A0 h0 2 S p 0 h0 p 0 R h0 h1 2 S
Optaciano Vásquez García
h0
p0
1,5 p0 h0 100 20,073 100 1,5
pV , Hg
4 S
d
.g .h................(3)
Debido a que la presión del vapor de mercurio es muy pequeña pV , Hg . 0 , la ec. Anterior se escribe
133,3 1,5750
p0
4 S d
.g .h.........................(3)
Caso (a), Remplazando los valores dados resulta
R 0,096 mm........ ......Rta.
40,5 13600 9,8 h 5.10 3 h 755 mm............................Rta.
758 (133 ,3)
Problema 16 El tubo barométrico A de la figura está lleno de mercurio y tiene un diámetro interior d igual a: (a) 5 mm y (b) 1,5 cm. ¿Se puede determinar directamente la presión atmosférica por la columna de mercurio de este tubo?. Hallar la altura de la columna en cada uno de los casos antes mencionados, si la presión atmosférica es p0 = 758 mmHg. Considerar que el mercurio no moja en absoluto.
Caso (b). Remplazando el valor de d =1,5 cm, se tiene 40,5 758 (133 ,3) 136009,8 h' 1,5.10 2 h' 757 mm............................Rta.
Problema 17. El diámetro de un tubo barométrico es igual a 0,75 cm. ¿Qué corrección habrá que introducir al medir la presión atmosférica por la altura de la columna de mercurio de este tubo?. Considerar que el mercurio no moja en absoluto.
Solución Datos e incógnitas
d 0,75cm;.. Hg 13600kg / m 3 ; S 0,5 N / m corrección ?? . En la figura se muestra el tubo barométrico sin considerar la tensión superficial
Solución Datos e incógnitas
279
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Optaciano Vásquez García
A la altura del menisco hay que añadirle 2 mm
h1
h2
2 mm...................Rta.
Problema 18. ¿Qué error relativo cometemos al calcular la presión atmosférica, igual a 760 mmHg, por la altura de la columna de mercurio de un tubo barométrico cuyo diámetro interior es iguala: (a) 5 mm y (b) 10 mm? Considerar que el mercurio no moja en absoluto.
Solución Datos e incógnitas
Aplicando la ley de la hidrostática se tiene
pA
p0
p0
pV , Hg
p0
0 136009,8 h1
pB
e R ?? .. p 0 760 mmHg;..d 1 5mm;..d 2 10mm;.
.g .h
. Hg 13600kg / m 3 ;.. S 0,5 N / m;.. pV , Hg 0
Hg g .h1
Del problema anterior se tiene que cuando no se tiene en cuenta la tensión superficial, resulta p 0 . g .H
h1
p0 133280
......................................(1)
H
En la figura se muestra el tubo barométrico teniendo en cuenta los efectos de tensión superficial
p0
.g
.........................(1)
Y cuando se tiene en cuenta la tensión superficial, se obtiene '
p A p o p B .g .h p 0 p B pV , Hg .g .h p0 p0 .g
4 S
d 4 S
.g .h
gd
h..................(2)
Remplazando la ec. (1) en (2), resulta
H Del gráfico se observa que tomando los puntos de igual presión, resulta
pA
p0
po
p
B
p B'
h2
pV , Hg .g .h2
h........................(3)
H h h p 0 p0 4 S .g . g.. g d eR p0 4 S .g .g .d
eR
S
El error relativo viene expresado por
Remplazando la ec.(1) en (2), se tiene h1
4 S .g.d
.g .h 2
4 .g .h 2 d p0 4 S h ..................( 2) 2 .g gd
p0
40,5
136009,8 7,5.10
3
280
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
La fuerza debido a la tensión superficial se expresa
4 S
eR
eR
. g .d
p0 4 S .g .g .d 4 S
p0 d 4 S
FS
FS
W
eR
3
eR
ac .r 2 L g
. ac .d .L.g
0,396 %...............................Rta.
...........(3)
Remplazando la ec. (2) y (3) en (1), resulta
40,5
2 S L
Caso (b). El error relativo para d =10 mm, será
eR
ac .V .g
4
40,5 760 133 .3 5.10
S 2 L ....................(2)
2
W
S longitud
El peso de la aguja será
......................(4)
Caso (a) el error relativo cuando d =5 mm, será
eR
Optaciano Vásquez García
40,5
760 133 .3 10.10
3
. ac .d
2
.L.g
4 8 S
d
d
1,57
. ac g
80,073 7700 9,8
.
40,5
0,197 %...............................Rta.
mm...............................Rta.
Problema 19.
Problema 20.
Sobre la superficie del agua se depositó cuidadosamente una aguja de acero grasienta (suponiendo que el agua no moja en absoluto). ¿Qué diámetro máximo podrá tener esta aguja para mantenerse a flote?.
¿Flotará en la superficie del agua un alambre grasiento de platino de 1 mm de diámetro?. Suponga que el agua no moja en absoluto.
Solución
Solución
Datos e incógnitas
Datos e incógnitas
d ac S ,w
3
7700kg / m ; w
3
1000kg / m ;..d
1mm;.. S
0.073 N / m;... pt
21400kg / m
3
??;
Para verificar si flota o no el alambre de platino, se calculan las fuerzas de tensión superficial y el peso del alambre y se aplican las ecuaciones de equilibrio al DCL mostrado en la figura
0,073 N / m
En la figura se muestra el DCL de la aguja flotando en el agua por acción de la tensión superficial, las fuerzas que actúan son: el peso (W) y la fuerza de tensión superficial que tiene una dirección vertical porque el agua no moja en absoluto
La fuerza debido a la tensión superficial se expresa
Aplicando las ecuaciones de equilibrio se tiene
FS S longitud
Fy 0
FS S 2 L ....................(1)
FS W ........................(1)
281
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
El peso de la aguja será W
mg
pt .V .g
. pt .d
W
2
.L.g
4
pt .r
2
Optaciano Vásquez García
Aplicando la ecuación de la hidrostática se tiene p p 0 Hg .g .h.................( 2)
L g
Comparando las ec. (1) y (2) resulta 4 S 40,5
...........(2)
d
d
Hg .g .h
136009,8 3.10
2
Para que exista equilibrio debe cumplirse que
FY 0
0,5 mm........ .......... .......... ........Rt a.
FS W 0 Pt L.g .d 2
2 S , w L
4
Problema 22.
0
2 0, 073 21400 9,8 1.10 4
3
2
Del fondo de una laguna se separó una pompa de gas de diámetro d. Durante su ascenso a la superficie su diámetro aumentó, veces. Si la presión atmosférica es normal p0 y la densidad del agua es ρ, y considerando que el proceso de expansión del gas es isotermo.
0
0,146 0.1647 0 0,0187 0..........................(3)
(a) (b)
De la ec. (3) se concluye que, el alambre no flota puesto que no existe equilibrio ya que el peso es mayor que la fuerza de tensión superficial.
Calcular la profundidad de la laguna en dicho lugar en función de d, η, γS; p0 y ρ. ¿Cuál es el valor de la profundidad si d= 4 m; =1,1; =1000kg/m3; γS =0,073 N7m y p 0 =101300 N/m2?.
Solución
Problema 21.
El la figura se muestra a la burbuja en el fondo del lago
En el fondo de un depósito que contiene mercurio hay un orificio. ¿Qué diámetro máximo puede tener este orificio para que cuando la altura de la columna de mercurio sea de 3 cm éste último no pueda salir de él?.
Solución Datos e incógnitas
d max Hg
??;..h
3cm;.. S
0,5 N / m;.
13600kg / m 3
En la figura se muestra la situación planteada en el problema
La diferencia de presiones debido a la tensión superficial es 4 S
pa
p
pa
p
d 4 S d
.............(1)
Aplicando la hidrostática se determina la presión p
p po
.g.h................(2)
Remplazando la ec. (2) en (1), resulta Del menisco debe observarse que la diferencia de presiones está dado por p
p0
4 S d
pa
p0
.g.h
4 S
d
.........(3)
En la figura se muestra el diagrama de la burbuja cuando está llegando a la superficie del lago
.....................(1)
282
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Optaciano Vásquez García
Problema 23. Un capilar de longitud L, que tiene el extremo superior soldado, se puso en contacto con la superficie de un líquido, después de lo cual éste ascendió por el capilar hasta alcanzar una altura h. La densidad del líquido es ρ; el diámetro de la sección interna del canal del capilar es d; el ángulo de contacto es φ, y la presión atmosférica es po. Hallar el coeficiente de tensión superficial del líquido.
La diferencia de presiones en esta posición será
p a'
p a'
p0
p0
4 S
L;
d' 4 S
h;
ρ;
d;
φ;
p0;
γS =??
En la figura se muestran los diagramas del tubo antes y después de colocarlo en contacto con el fluido
.............(4)
d
Solución
Datos e incógnitas
Como el proceso es isotérmico, la ley de Boyle nos da
p aV a p a' V a'
d 2
p a 43
3
3 p a' 4 d 3 8
p a'
pa 3
...........................(5)
Al remplazar la ec. (5) en (4), resulta
p a 3 p 0
4 S ............(6) d
(a) Estado inicial
Comparando las ec. (3) y (6), se obtiene
p 0 .g.h
4
d
S
3
p 0
Como el proceso es isotérmico la ley de Boyle establece 4 S
2
p0V0 pV
d
h
d2 L p 4
p0
d 2 4 L h
p0 L p L h .......................(1)
Despejando el valor de h, se tiene
3 1 4 S p 0 d
(b) Estado final
2
1
.g
Para evaluar la presión del aire atrapado en el tubo cuando éste se coloca en contacto con el agua, se traza el DCL del fluido que ascendió, como se muestra en la figura.
..... Rta.
Remplazando los valores del enunciado del problema resulta
4(0,073 ) 3 2 1013001,1 1 4.10 6 1,1 1
h
h
5 m ................................Rta.
10009,8
283
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
(a) Disposición de tubos
Aplicando las ecuaciones de equilibrio, se tiene
.d . S
cos
cos
p 0 A pA W
.d 2 p 0 4
.d 2 . .g.h.d 2 4 4
p
Fy 0
p 0 A FS p 0 A W
Despejando la presión, p, se tiene p
4 S cos d
p0
FS m f g .........................(1)
La fuerza de tensión superficial es
.g .d .h.......(2)
FS S Longitud
Remplazando la ec. (2) en (1), resulta
p0 L (
4 S cos
d
p0
(b) DCL del fluido
Debido a que el fluido que ascendió en el capilar está en equilibrio, se tiene
Fy 0 FS
Optaciano Vásquez García
FS S d 1 d 2 ................(2) El peso del fluido que asciende por el capilar es
.g .d .h)L h .......(3)
d 22
W .g
Despejando el coeficiente de tensión superficial, resulta
4
S
p0 h .g.h l h d ........
barra de vidrio de diámetro d1 = 1,5 mm . Luego el sistema se estableció verticalmente y se puso, en contacto con la superficie del agua. ¿A qué altura ascenderá el agua en este capilar?.
h
4 S ................(5) .g d 2 d 1
Remplazando valores del enunciado, se tiene
Solución Datos e incógnitas.
h
w
1,5mm;..d 2
3
2mm;.. S
1000kg / m ;..h
h ..........( 4)
Despejando h resulta
En un capilar de vidrio cuyo canal interno tiene un diámetro d2 =2 mm se colocó concéntricamente, una
4
d 2 d 2 S d 1 d 2 .g 2 1 4 4
Problema 24.
d1
d 1
Remplazando la ec. (2) y (3) en (1), resulta
Rta.
4 cos
h ..........(3)
2
0,073 N / m
40,073
10009,8 2.10
3
1,5.10
3
?? . h
En la fig.(a), se muestra la disposición de los tubos colocados en el agua y en la fig (b), se muestra el DCL del fluido que ascendió en el capilar formado.
5,96 cm......................Rta.
Problema 25. Entre dos láminas de vidrio horizontales se encuentra una gota de mercurio en forma de torta cuyo radio es R y el grosor h. Considerando que h << R, calcular la masa de la carga ponerse sobre lámina superior para queque la debe distancia entre lasla láminas disminuya η veces. El ángulo de contacto es φ. Calcular m si R= 2 cm; h = 0,38 mm; η =2; φ =135º.
Solución Datos e incógnitas
R 2cm;..h 0,38mm;.. 2;.. 135 º S 0,5 N / m;.. Hg 13600N / m 3 ;..m ?? .
284
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
En la figura se muestra a la gota de mercurio entre las placas paralelas
Optaciano Vásquez García
En la dirección horizontal se equilibran las fuerzas debido a la diferencia de presiones y el debido a la tensión superficial
Fx 0 FS cos p p 0 A 'proy
2 S 2 .r cos p p 0 2 .r.h '
p p0 De la figura puede observarse que las fuerzas debido a la tensión superficial se equilibran con las fuerzas debido a la diferencia de presiones, es decir
2 S
h'
cos .............(4)
Por condición del problema h
'
h
.............................(5)
Fx 0
Entonces la ec. (4) se escribe 2. S p p0 cos .............(6) h
FS cos p p 0 A proy
2 S 2R cos p p0 2Rh
p p0
2 S
cos ...............(1)
h
En la figura se muestra el DCL de la placa superior más el bloque de masa desconocida
Para determinar la masa de la placa superior se traza el DCL de la placa superior tal como se muestra en la figura
Aplicando las ecuaciones de equilibrio obtenemos
Aplicando las ecuaciones de equilibrio, se tiene Fy 0
Fy 0
p p 0 A m P g...............(2)
p p 0 .r 2 (m P m) g..........(7)
Remplazando la ec. (1) en (2), resulta
2 S
mP
Remplazando la ec. (6) en (7) nos da
cos . R 2 . m P g
h
2 S R 2 cos
g.h
2. S
.........(3)
h
En la figura se muestra la disposición cuando se coloca un bloque de masa m, sobre la placa
cos . .r 2
m
P
m g.......(8)
Debido a que la masa del mercurio no varía, se tiene
mi m f
Hg R h Hg .r 2 h ' 2
h R h r 2 2
r R 2 ......................(9) 2
285
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Optaciano Vásquez García
Remplazando la ec. (9) en (8), resulta
m
2 S R 2
cos 2 1 ........(10)
g.h
Teniendo en cuenta los valores del enunciado, se tiene
m
2 0,5 2.10 2
3
9,8 0,38 .10
Aplicando las ecuaciones de equilibrio, se tiene
2
cos135º 2 2
1
Fy 0
FR p 0 p A................................(2)
m 0,7 kg......................Rta.
Remplazando la ec. (1) en (2), resulta
Problema 26. Dos discos de vidrio de radio R = 5 cm se mojaron con agua y se colocaron juntos de modo que el grosor de la capa de agua entre estos es h = 1,9 µm. Considerando que la humectación es total, determinar la fuerza adicional que debe aplicarse perpendicularmente al plano de los discos, para separarlos.
2 S
FR
FR
5cm;..h
1000kg / m ;..F
1,9m; S 3
0,073 N / m;..
2
h
......................................(3)
Sustituyendo los valores del enunciado del problema, resulta
Datos e incógnitas.
R
2 S R 2
Solución
R
h
0º ;
?? :
FR
FR
2 0,073 N / m 25.10 1.9.10
6
4
m
2
m
2
6,035 .10 ....................................Rta.
Problema 27. Un cubo de hierro cuya densidad es 7900 kg/m 3, engrasado con parafina, flota en el agua de manera que su cara superior se encuentra a nivel del agua, como se ve en la figura. El agua no moja en absoluto a la parafina. Hallara la longitud de la arista del cubo si la tensión superficial del agua es 0,073 N/m.
En la figura se muestra el DCL de las placas con el agua en su interior.
Debido a que la humectación es total, entonces la fuerza debido a la tensión superficial actúan sobre el borde de las láminas y paralelas a su área, estas equilibran a las fuerzas debido a la diferencia de presiones, es decir Fx 0
S
FS p p 0 A proy p p0 2Rh
Solución
2R 2R
p p0
2 S
h
Datos e incógnitas
..........................(1) acero 7900kg / m 3 ;.. w 1000kg / m 3 ; S 0,073 N / m;..a ?? .
Para determinar la fuerza necesaria para separar los discos se traza el DCL del disco superior, en él se observa aplicado las fuerzas: fuerza (pA) debido al fluido líquido entre las placas y la fuerza (p 0A) debido a la presión del aire.
En la figura se muestra el DCL del cubo, las fuerzas que actúan son: el peso del cubo (W); la fuerza de tensión superficial (FS) y el empuje hidrostático debido al agua.
286
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Optaciano Vásquez García
R;.. ;.. S ;..m;..g;..h
?? .
En la figura se muestra el DCL del tubo lastrado en la posición de equilibrio.
Aplicando las ecuaciones de equilibrio, resulta
Fy 0
FS E W S 4a wga 4 s
a
3
ga
3
Aplicando las ecuaciones de equilibrio. Resulta
acero
a 2 g ac w
Fy 0
4 S
E W FS cos
g ac w
Remplazando los valores consignados en el problema, resulta.
a
m fg m g
2 R Scos
.. R.2 h g
.
40,073 N / m
h
9,8m / s 2 7900 1000kg / m 3
a 2,08 mm........................................Rta.
m2g. cos R S
m.g 2 . Rcos S . .R 2 g
.... Rta
Problema 28.
Problema 28 Un tubo de sección transversal circular y radio exterior R está cerrado por su extremo. Este extremo está lastrado y el tubo flota verticalmente en un fluido de densidad y coeficiente de tensión superficial S con el extremo pesado hacia abajo como se muestra en la figura. La masa total del tubo y el lastre es m. Si el ángulo de contacto es ¿A qué distancia se encuentra el fondo del tubo de la superficie libre del fluido.
Sobre cuatro bolas de mercurio, yacentes en el plano horizontal, se pone con cuidado una placa cuadrada de la manera expuesta en la figura. El radio de las bolas es R =1 mm, la masa de la placa es m = 80 g y el coeficiente de tensión superficial es S = 0,045N/m. Asumiendo que el mercurio no moja en absoluto. ¿Cuánto distará del plano horizontal a la superficie inferior de la placa?.
Solución Datos e incógnitas
R 1mm;..m P
80 gr;.. S
0,465 N / m;..H
??.
En la figura se muestra el DCL de una de las gotas, las fuerzas que actúan son la tensión superficial (F S) y la fuerza debido a la diferencia de presiones
Solución Datos e incógnitas.
287
.
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Aplicando las ecuaciones de equilibrio, se tiene
FS
Esta fuerza es la que equilibra al peso de la placa, es decir
FP
Optaciano Vásquez García
·
Longitud p p proyA 2. 2 r. r p p 2. H r S 4. .r S 2 . .rH p p S
FN
0
mP g
32 S R 3H
2
0
p
p0
2 S
0
H
.........................(1)
H
F1
p
p 0 A
2 .r 2 S
2 S
H
4F1
8 .r 2 S
Hg
H
3
r2
...........................(3)
mf
8
S
H FN
32
Solución
2
S
R
??.
En la figura se muestra el DCL de la masa de agua que ascendió en el capilar, las fuerzas que actúan son: La fuerza de tensión superficial (F S) y el peso del fluido (W).
H
3
3H
............................(4)
4R 3 3H
3H 2
Rta.
gota
Hg
4R
3 3
Datos e incógnitas
Remplazando la ec. (4) en la ec. (3), resulta
FN
0,14 mm.
r;... S ;... w ;...Q
3
calor se desprenderá durante el ascenso del agua por el capilar?. Considere que la humectación es total, el coeficiente de tensión γS y la densidad del agua es w.
R .r 4 3
3 80.10
Un capilar vertical de radio interno r se puso en contacto con la superficie del agua. ¿Qué cantidad de
El radio se determina a partir del principio de conservación de la masa
mi gota
H
9,8
32 0,0465 1.10
Problema 29.
neta será
2
Debido a que en el sistema hay cuatro gotas la fuerza
FN
H
.r
.....................................(2)
H
3
3m P g
Remplazando los valores consignados en el problema, resulta.
La fuerza que ejercerá la gota de mercurio sobre la placa superior será
F1
32 S R
3
...................................(5)
En la figura se muestra el DCL de la placa en donde se observa que actúan el peos de la misma y la fuerza neta resultante debido a la diferencia de presiones
288
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
Aplicando las ecuaciones de equilibrio, resulta
FS S
2 .r. S
h
que el agua no llega hasta los bordes superiores de las láminas y que la humectación es total, calcular la fuerza de atracción mutua que existe entre estas.
W
2 .r
m.g
2 S .g .r
Solución
.V .g
.g .r
2
h
Datos e incógnitas.
.............................................(1)
d
La energía potencial de la columna del líquido será
h h E pg m.g .V .g 2 2
2
.r .g .h
0,10mm;..L
12cm;.. S
1000kg / m 3 ,..F
0,073 N / m;
?? .
En la figura se muestra es DCL de la porción de fluido que ascendió entre las láminas
h .r 2 h g 2 E Pg
Optaciano Vásquez García
2
2
...............................(3)
Remplazando la ec, (1) en (2), resulta
4 S2 2 2 g 2 r 2
E Pg .r 2 .g E Pg
2
2 S
.g
.....................................(3)
La fuerza de tensión superficial realiza un trabajo dado por
W1FSf FS h
Aplicando las ecuaciones de equilibrio, resulta
2 .r. S h 2 S 2 .r. S .g.r F W1Sf
4
2 S
.g
Fy 0
FS W S
.....................................(4)
De esta energía irá para aumentar la energía potencial y la otra mitad se disipará en forma de calor.
longitud m.g S 2 L .V .g 2 S L L.d .h .g h
Q W
FS i f
E Pg
2
Q
Q
4 . S
.g
2 . S
.g
2
2 . S
.g
........................(1)
Par calcular la fuerza de atracción mutua, se traza el DCL de la placa izquierda tal como se muestra en la figura.
2
2 S .g .d
.......... .......... .......... .......... Rta.
Problema 30. Dos láminas de vidrio verticales paralelas entre sí, se sumergen parcialmente en agua. La distancia entre estás es d = 0,10 mm , su anchura L = 12 cm. Considerando
La fuerza será
289
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
F p 0 p A F p 0 p1 L .d ..............................(2) Analizando la curvatura del menisco, se tiene
p0
p
S
r
2 S
d
............................(3)
Despejando la presión p, resulta
p
p0
2 S
.......................................(4)
d
La presión en la mitad del área mojada será
h p1 p .g. ................................(5) 2 Remplazando la ec. (4) en (5), resulta 2 h P1 p 0 S .g ..........................(6) d 2 Remplazando la ec. (1) en (6), resulta
p1 p 0 p1 p 0
2 S d S
d
2 S .g 2 .g.d
..................................(7)
Remplazando la ec (7) en la ec. (2), resulta. F p 0 p 0 S d
F
2 S2 L .g.d 2
2 S L .g.d
........................................(8)
Remplazando los valores dados en el problema resulta
F F
2 0,073
0,12
10009,8 0,10.10 3 13 N......... .......... .......... .......... .....Rta.
2
290
Optaciano Vásquez García
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
8. Un capilar vertical cuyo diámetro interno es de
PROBLEMAS PROPUESTOS
0,5 mm se sumergió en el agua de modo que la longitud de la parte que no se sumió en ésta resultó ser h = 25 mm . Determinar el radio de curvatura del menisco.
1. Un anillo metálico delgado con una masa de 3,15 mg y un diámetro de 1,25 cm es colocado horizontalmente sobre la superficie de un líquido. Determine la mínima fuerza vertical necesaria para desprenderlo de la superficie a 20°C si el líquido es: (a) agua, (b) aceite y (c) mercurio
Rta. R
hay un orificio circular de diámetro d = 70 μm. ¿Cuál será el grosor máximo de la capa de mercurio con el que este no saldrá por el orificio?.
Rta.
.h 2
1N
superficial durante la fusión isotérmica de dos gotas de mercurio idénticas de diámetro d = 1,5 mm cada una.
4. Determine la depresión del mercurio dentro de un tubo capilar vertical de vidrio que tiene un diámetro de 0,90 mm si el ángulo de contacto entre el vidrio y el mercurio es 128°.
Rta.
E 2 . S d
2
2
1 / 3
1 1,5J .
12. Estime el tamaño máximo de las gotas de agua que
Rta: Δh = 9,54 mm
pueden estar “suspendidas” en el techo. La tensión superficial del agua es de 0,073 N/m.
5. En un recipiente que contiene aire bajo una presión p0 se encuentra una pompa de jabón de diámetro d. La presión del aire se disminuyó isotérmicamente en veces y como resultado de esto el diámetro de la pompa aumentó N veces. Determinar el coeficiente de tensión superficial del agua jabonosa.
Rta. R = 0,5 cm.
13. Hállese la tensión superficial de un líquido, si el lazo de un hilo de goma con longitud L y sección A, puesto sobre la película de líquido, se extiende formando una circunferencia de radio R después de que la película fue pinchada dentro del lazo. El módulo elástico de la goma es E.
N 3
2
F
11. Calcular el incremento de energía libre de la capa
Rta. 21 cm
N
8 S
vidrio paralelas que se encuentran a una distancia de h = 0,1 mm , una vez que entre ellas se introdujo una gota de agua de masa m = 70 mg . Considerar que la humectación es total. 2 S m
3. En el fondo de un recipiente que contiene mercurio
8
10. Hallar la fuerza de atracción de dos láminas de
Rta: 2,23 N/m
Rta. S
0,6mm
curvatura la superficie de la entre gota en puntos superior e de inferior, la distancia lossus cuales es h = 2,3 mm. .g .h 3 Rta. R 2 R1
mg y un diámetro de 1,25 cm es colocado horizontalmente sobre la superficie de un líquido. Determine el coeficiente de tensión superficial si es necesario aplicar al anillo una fuerza vertical de 175 mN para desprenderlo del líquido
.g .h
Determinar la diferencia entre los radios de
2. Un anillo metálico delgado con una masa de 2,75
2 S
9. Una gota de agua cae uniformemente en el aire.
Rta: (a) 5,76 mN; (b) 3,17 mN; (c) 36,5 mN
p 0 d 1
Optaciano Vásquez García
1
6. ¿Cuál es la presión en una pompa de jabón de
Rta.
diámetro d = 4 μm, que se encuentra a la profundidad h = 5 m en el seno del agua. La presión atmosférica p0 es normal.
1 2
2 1 L R
EA
14. Determínese la masa máxima de la unidad de área
de una placa que no se “hunde”, si se le pone con cuidado sobre la superficie del agua. La placa no es mojada por el agua
Rta. 2,2 atm.
7. Hallar la diferencia de niveles del mercurio contenido en dos capilares verticales que se comunican entre sí y cuyos diámetros son d1 =0,5 mm y d2 = 1 mm, si el ángulo de contacto es = 138º
Rta. m = 0,546 gr/cm2.
15. Un areómetro flota en un líquido cuya densidad es ρ = 800 kg/m3 y cuyo coeficiente de tensión superficial es γS =30 dinas/cm. El líquido moja
Rta. 11 mm
291
Física General II
Tensión Superficial y Capilaridad
Optaciano Vásquez García
20. ¿Qué trabajo contra las fuerzas de tensión
perfectamente las paredes del areómetro. El diámetro del tubo cilíndrico vertical de éste último es de d = 9 mm . ¿Cuánto variará la profundidad a que se sumerge el areómetro si, por estar grasiento, el líquido no moja en absoluto sus paredes?.
superficial es necesario realizar con el fin de: (a) dividir una gota esférica de mercurio con radio de 3 mm en dos gotas idénticas; (b) aumentar dos veces el volumen de una pompa de jabón que tiene el radio de 1 cm?
Rta. Δh = 3,5 mm
16. Las películas de dos líquidos se dividen por un
Rta.
tabique de longitud L. Los coeficientes de tensión superficial de los líquidos son 1 y γ 2 ¿qué fuerza
21. Hallar la fuerza de atracción de dos láminas de
actúa sobre el tabique?.
vidrio paralelas y horizontales encuentran separadas una distancia h = 0,10que mmse , una vez que entre ellas se introdujo una gota de agua de masa -6 m = 70.10 kg. Considere que el coeficiente de tensión superficial del agua es 0,073 N/m, la densidad del agua es 1000 kg/m3 y que la humectación es total ( = 00).
Rta: F = 1N Rta.
F
2( 1
2 )L
22. Obtenga una expresión para el ascenso capilar h de
17. ¿En cuántas veces la densidad de la sustancia de que
un fluido en función de la densidad , el coeficiente de tensión superficial S , el ancho L y ángulo de contacto entre dos placas paralelas verticales separadas una distancia W, como se muestra en la figura. ¿Cuál será el valor de h si el fluido es agua con = 1000 kg/m3, γst = 0,073 N/m, W = 0,5 mm; L = 10 cm y la humectación es total?. ¿Qué cantidad de calor se desprenderá durante el ascenso del agua
está hecho un palito largo de sección cuadrada supera la densidad del líquido, si el palito flota en la superficie tal como se muestra en la figura?.
entre las placas?
Rta.
n
5/ 4
18. El radio de curvatura de una gota en su punto superior es R. ¿Cuál será la masa de la gota, si su altura es h y el radio de contacto de la misma con el plano horizontal en el que “está sentada” es igual a r?. La densidad del líquido es , la tensión superficial es γS. El líquido no moja al plano.
23. El mercurio forma un ángulo de 130° cuando está en contacto con vidrio limpio. ¿A qué distancia bajará el mercurio en un tubo capilar vertical de 0,4 mm de radio?
2 gR / s) Rta. m r 2h(
19. Dos láminas verticales, sumergidas parcialmente en un líquido humectante, forman una cuña con un
Rta
ángulo muy pequeño, La arista de la cuña se encuentra en Posición vertical. La densidad del fluido es ρ, su coeficiente de tensión superficial es γst y el ángulo de contacto es θ. Calcule la altura h de ascenso del líquido como función de la distancia z medida desde la superficie libre del fluido hasta el vértice de la cuña.
Rta: h
2 s cos / gx
24. Obtenga una expresión para la fuerza vertical máxima requerida para levantar lentamente un anillo de radio R desde un líquido cuyo coeficiente de tensión superficial es γ. Rta.
25. Dos placas planas se coloca como se muestra en la figura con un ángulo pequeño
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en un recipiente
Tensión Superficial y Capilaridad
Física General II
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abierto que contiene un poco de líquido. La placas son verticales sube entre las placas. Obtenga una expresión para la ubicación h(x). de la superficie del líquido suponiendo que la humectación es total.
Rta. error relativo admitimos al medir la presión 26. ¿Qué atmosférica atendiéndonos a la altura de la columna de mercurio, si el diámetro interior del tubo barométrico es de 5 mm y el coeficiente de tensión superficial del mercurio es 0,465 N/m? Rta.
30. Dos placas planas delgadas, inclinadas un ángulo α, se encuentran semisumergidas en un depósito que contiene un líquido de tensión superficial conocida γst y ángulo de contacto θ, como se muestra en la figura. A la altura de la superficie libre del líquido en el depósito, las dos placas se encuentran separadas una distancia L y tienen un espesor b en la dirección perpendicular al papel. En la región entre las placas el líquido sube una distancia h, tal como se indica. (a) ¿Cuál es la fuerza total hacia arriba (según el eje z) debido a la tensión superficial que actúa sobre la columna del líquido entre las placas?, (b) si la densidad del líquido es ρ, obtenga una expresión que dé la tensión superficial γst en función del resto de variables.
27. ¿ A qué altura ascenderá el líquido por un tubo capilar cónico vertical con un ángulo en el vértice << 1?. La densidad del líquido es y el coeficiente de tensión superficial el s. El líquido moja por completo al capilar. La altura del tubo capilar es H.
Rta. x H 1 2
1
16 s g H 2
28. ¿A qué altura ascenderá un líquido entre dos placas verticales, que distan , si el ángulo de contacto para la primera es θ1 y para la segunda es 2? La densidad de líquido es y el coeficiente de tensión superficial del líquido es γs.
31. ¿Qué fuerza hay que aplicarle a un aro horizontal de aluminio, que tiene una altura h = 10 mm , un
Rta.
diámetro interior d1 = 50 mm y un diámetro exterior , para desprenderlo de la superficie del d2 = 52 mm
29. Determínese las presiones mínima y máxima dentro
agua?. (b) ¿Qué parte de la fuerza hallada corresponde a las fuerzas de tensión superficial?.
de una gota esférica de líquido que flota en otro líquido. El centro de la gota dista de la superficie libre del líquido h, el radio de la gota es R, las densidades de los líquidos es y la tensión superficial en la superficie de separación es s.
Rta: p
2/ R ( g);h H 2min / p
max s
(
) R
s
Rta. F = 63,5 mN; (b) x = 37%
32. Entre dos láminas de vidrio horizontales planas y paralelas hay 5 g de mercurio. Cuando sobre la lámina superior se deposita una carga de 5 kgf, la distancia entre ellas se hace igual a 0,087 mm.
g h H
Hallar el coeficiente de la tensión superficial del
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mercurio considerando que el peso de la lámina es despreciable en comparación con el de la carga. Suponer que el mercurio no moja en absoluto.
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38. En un recipiente en el que la presión es p 0 se ha formado una pompa de jabón de forma esférica y radio R, cuya presión interior es p 1 = 2p0. A partir de estas condiciones, se va reduciendo progresivamente la presión en el recipiente hasta que p’0 = 0. Determine la nueva presión interior p’1 y el nuevo radio de la pompa, asumiendo que la tensión superficial y la temperatura permanecen constantes durante el proceso
Rta. δs = 0,5 N/m
33. Dos cilindros coaxiales, con radio exterior re y radio interior ri, se sumerge en un fluido de tensión superficial st y ángulo de contacto ≤ 90°. Obtenga una expresión para el ascenso capilar h en la los dos cilindros cuando estaholgura holguraanular es muyentre estrecha.
39. Una gota de aceite (
st = 0,0320 N/m) tiene un radio de 0,010 mm. La gota es liberada en agua fresca y se hunde hasta una profundidad de 2,55 m bajo la superficie libre del agua hasta quedar en equilibrio. Sabiendo que la presión atmosférica del aire exterior es 1,01.105 PA. (a) ¿Cuál es la presión absoluta del agua a esta profundidad?. (b) Determine la presión absoluta en el interior de la gota.
Rta.
34. Una pompa de jabón de diámetro D 1 se funde con otra pompa de jabón de diámetro D 2 para formar una única pompa de diámetro D 3 que contiene la misma cantidad de aire. Suponiendo que el proceso es isotermo, obtenga una expresión para D3 en función de D 1, D 2, γst y patm.
40. Para determinar la tensión superficial de una disolución jabonosa, se utiliza el dispositivo mostrado en la figura. El diámetro de la pompa esférica formada en el extremo del tubo es de 1 cm , el líquido manométrico es agua y el desnivel entre las dos ramas manométricas es 2,7 mm. Determine el valor del coeficiente de tensión superficial
Rta.
35. El sistema de la figura permite calcular la presión p1 en el interior del tanque midiendo la altura de la columna del líquido de 15 cmen el tubo de 1 mm de diámetro. El fluido está a 60°C . Calcule la altura real del fluido en el tubo y el porcentaje de error debido a la capilaridad si el fluido es: (a) agua y (b) mercurio. Considere que los coeficientes de tensión superficial del agua y del mercurio a T = 60°C son 0,062 N/m y 0,47 N/m
41.
36. Un estudiante, utilizando un alambre circular y la porción de agua jabonosa, produce una burbuja de jabón de 1 mm de radio. Sabiendo que la tensión superficial del agua jabonosa es st = 2,5 .10 -2 N/m. (a) Determine la diferencia de presión el interior y el exterior de la burbuja. (b) Si laentre misma agua es utilizada para producir una gota esférica cuyo radio es de 0,5 mm, determine la diferencia de presiones entre el interior y el exterior de la gota.
37. Determine el diámetro máximo que puede tener una bolita de acero ( ρ = 7,8 g/cm3) bien engrasada para que pueda flotar en agua a 20°C
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