Profesor: Ing. PACHECO ACERO Curso: FISICOQUIMICA DE SUPERFICIE Tema: ENERGIA LIBRE DE SUPERFICIES
Alumno: ISLA HUAMÁN HUAMÁN Gabriel Germán Fecha: 19 de julio. Hyo-Peru 2013
INDICE
1. 2. 3. 4.
INTRODUCCION FENOMENOS DE SUPERFICIE TENSIÓN SUPERFICIAL ¿CUÁL ES LA EXPLICACIÓN MOLECULAR DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL? 5. TENCIÓN INTERFACIAL 6. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA SUPERFICIAL? 7. ENERGÍA LIBRE DE SUPERFICIE? 8. ENERGÍA INTERFACIAL 9. ¿CÓMO SE COMPORTA LA SUPERFICIE DE UN LÍQUIDO EN CONTACTO CON LA SUPERFICIE DE UN SÓLIDO? 10. BIBLIOGRAFIA
INTRODUCCION
Siempre que tenemos un sistema de dos fases hay una separación entre ellas . La s moléculas de ambas fases ubicadas en este plano lado interfase o región interfacial la propiedad mas importante es al tensión superficial . La tensión superficial es una fuerza normal al plano superficial dirigida hacia el ulterior d la fase y que tiene su origen en la descompensación de fuerzas entre molecular de la región superficial. Las moléculas del interior de una fase liquida. Se encuentran rodeadas por un # de moléculas las cuales interactúan. Las moléculas de superficie serán energéticamente más ricas y será necesario aportar trabajo para llevar las moléculas desde el interior de una fase liquida. Hasta la superficie. .luego ejerce cierta presión sobre el resto de la fase lo cual determina que los líquidos se comporten como si los líquidos. Estuvieran rodeados por una membrana elástica contráctil. Energía libre Superficial: el cambio de energía libre debe incluir un término que represente el trabajo requerido para aumentar el área de la superficie dA a T° ,P y composición Cte. y=dG/dA,T°,P,n La tensión superficial se erg./cm2.
se expresa en dina/cm , y la energía libre en
Puesto que son numéricamente iguales se usa y para expresar la tensión sup. O la energía libre por unidad de área.
ENERGIA LIBRE EN SUPERFICIE FENOMENOS DE SUPERFICIE Los flujos multi-fase o de interfase son aquellos flujos en los que existen al menos dos fluidos en contacto separados por una superficie o interfaz (por ejemplo, agua en contacto con el aire). Las fuerzas a considerar en los flujos con interfase son
Fuerzas de inercia Fuerzas gravitatorias Fuerzas viscosas Tensión superficial
Existen muchos fenómenos, bien conocidos desde hace tiempo, que ponen de manifiesto que la superficie libre de los líquidos se comporta en muchos aspectos como una membrana elástica tensa. Como ejemplos de este fenómeno se pueden citar los siguientes:
Ciertos insectos que, como el hidrómetra, andan sobre el agua. Las gotas de agua que se producen en el extremo de un cuentagotas. la formación de una película jabonosa que ofrece una resistencia a la deformación al introducir un aro de alambre en una disolución jabonosa.
Tanto la tensión superficial en líquidos como la tensión que aparece en una membrana es función de la longitud l de la superficie. La principal diferencia existente entre ambas tensiones es que si la superficie que define la membrana o la superficie del líquido duplican su tamaño, la tensión en la membrana también aumenta proporcionalmente al aumento de superficie, mientras que en el caso de la tensión superficial esto no ocurre, permaneciendo su valor constante. PROPIEDADES DE LAS INTERFACES TENSIÓN SUPERFICIAL La tensión superficial es el trabajo que se requiere para incrementar el área de superficie de un líquido, isotérmicamente por unidad de área (
).
Otra versión de esta definición sería: La tensión superficial de un líquido se puede definir como la fuerza por longitud unitaria que actúa paralelamente sobre la superficie pero de manera perpendicular a la una línea imaginaria ( ).
Hay experiencias cotidianas que nos permiten observar el f enómeno de tensión superficial. Por ejemplo, en nuestras clases de secundaria, cuando tratábamos de fabricar nuestra primera brújula casera, magnetizábamos una pequeña aguja de acero con un imán y luego la colocábamos sobre una superficie de agua. Entonces, observábamos como ésta giraba hasta eventualmente apuntar hacia el norte. Es curioso que la aguja de acero pudiera flotar sobre el agua, siendo que físicamente el acero es mucho más denso que el agua. Si observamos la imagen anterior -en la que se muestra un acercamiento de la aguja de acero flotando sobre el agua (vista de frente)- vemos que su masa causa una pequeña depresión en la superficie del agua, de tal manera que las fuerzas de tensión actúan en la superficie y tienen una componente dirigida hacia arriba que es capaz de soportar el peso de la aguja. Otra experiencia cotidiana se da cuando, sin querer, derramamos un vaso de agua sobre un mantel. Podemos notar que, mientras no frotemos el agua que se haya derramado, ésta suele agruparse en pequeñas gotitas que si pudiésemos retirar sin romperlas, no mojarían al mantel. En cambio, si nos ponemos a frotar el agua, vamos a formar con ella una película delgada de agua más extendida, que se metería entre las fibras del mantel y diríamos que “mojamos” el mantel. Ambos ejemplos ilustran el concepto de tensión superficial: un fenómeno que pareciera sugerir que la superficie del agua se comporta como una delgada membrana o piel elástica que se encuentra bajo presión. Este efecto lo podemos analizar con detalle considerando los efectos de las fuerzas intermoleculares.
EXPLICACIÓN MOLECULAR DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL
Las moléculas que componen un líquido, interactúan mutuamente por medio de sus fuerzas intermoleculares, mismas que provocan una fuerza de atracción colectiva mutua. Dentro del volumen del líquido, cada molécula se encuentra totalmente rodeada por muchas otras, , digamos. Se dice que estas moléculas tienen un número de coordinación igual a . Cada una de estas moléculas, sometida a la interacción de todas las demás que la rodean, es atraída igualmente por todas sus vecinas, lo cual tiene una fuerza resultante igual a cero. Por el contrario, las moléculas que se encuentran justo en la superficie, no están rodeadas totalmente por sus vecinas, sino solamente por aquellas que las tocan desde el interior del fluido (en el exterior, realmente no
hay existe una misma influencia intermolecular por el ambiente: sea vacío, sea atmosférico, etc.). Diríamos que las moléculas que se encuentran en la superficie, solamente se encuentran en contacto con
moléculas (su
número de coordinación es de ). Por lo tanto, las moléculas en la superficie solamente reciben una fuerza de atracción hacia adentro: hacia el resto del volumen del fluido. Estas moléculas no sienten una fuerza de atracción equilibrada como sus contrapartes internas en el fluido (mismas que sienten una fuerza neta igual a cero). Estas fuerzas de atracción dirigidas hacia adentro deben ser equilibradas por la resistencia del fluido a la compresión, lo que significa que no hay una fuerza neta hacia adentro. Adicionalmente, existe una fuerza que tiende a disminuir el área de la superficie, y en este sentido, la superficie del líquido se comporta como una piel o membrana elástica sujeta a una tensión. Podemos imaginar que el líquido se “aprieta” a sí mismo hasta que
alcance a tener el área superficial menor posible, localmente. Esto explica porque las gotas de agua y las burbujas son casi esféricas (en la ausencia le la gravedad, son totalmente esféricas). Se llama tensión interfacial a la energía libre existente en la zona de contacto de dos líquidos inmiscibles. Esta energía es consecuencia de las tensiones superficiales de los dos líquidos, y evita que se emulsiones espontáneamente. Las unidades de medida de la tensión interfacial son las mismas que las de la tensión superficial. El valor de la tensión interfacial del aceite es indicativo de varias características del aceite:
Es una medida de la inmiscibidad del aceite: Cuando dos líquidos inmiscibles están en contacto, las moléculas en el interior del líquido se atraen unas a otras en todas direcciones. Sin embargo, en la zona de contacto de los líquidos las moléculas de cada líquido están en contacto con las del otro y experimentan fuerzas distintas, unas debidas a las moléculas de su fase y otras debidas a las moléculas de la otra fase. Al formarse la emulsión, el área de contacto entre los líquidos se incrementa notablemente, incrementándose la tensión interfacial. En consecuencia, la tensión interfacial tenderá a unir l as gotas y reducir el área de contacto. Cuanto más alta sea la tensión interfacial del aceite, más difícil será romper la interfase y formar la emulsión, y, una vez conseguido, lograr que la emulsión sea estable será igualmente difícil. En el caso de los aceites aislantes, la tensión interfacial es un indicativo de la capacidad aislante del aceite. Con el paso del tiempo, y debido a la combinación de calor, campos eléctricos, agua y oxígeno se van generando compuestos polares en el aceite que afectan a su capacidad aislante, ya que estos compuestos facilitan el paso de la corriente eléctrica a través del aceite. Los compuestos polares se van acumulando y afectan a la t ensión superficial, reduciéndola. Esta reducción facilita que el agua y otros contaminantes se emulsionen con el aceite, aumentando su conductividad. Este aumento de la conductividad del conlleva que el calor disipado por éste sea menor, lo que facilita a su vez la degradación del aceite y la acumulación de contaminantes
insolubles, que forman lodos. Se produce así un efecto "bola de nieve", acelerándose el proceso exponencialmente. El valor de la tensión interfacial, comparado con el del aceite nuevo, nos da una indicación bastante precisa de la capacidad aislante del aceite. Debido a que la acumulación de contaminantes y productos de la degradación del aceite hacen bajar el valor de la tensión interfacial (como se acaba de decir), este valor, comparado con el del aceite nuevo, nos da una indicación del grado de envejecimiento del aceite, de su nivel de oxidación, y /o de la presencia de impurezas. En el aceite nuevo y sin aditivos, la tensión interfacial tiene un valor de entre 40 y 45 dinas/cm, que con el uso de aditivos puede bajar a 25-30 dinas/cm. El valor de la tensión interfacial en un aceite nuevo, comparado con otros, es un indicativo del grado de refino. Una tensión interfacial alta en un aceite nuevo indica la ausencia de compuestos polares orgánicos (aromáticos) en el aceite. (Estos compuestos han sido eliminados durante el refinado del aceite). Al ser la tensión interfacial consecuencia directa de la tensión superficial, la tensión interfacial se ve afectada por los mismos factores que la tensión superficial. La tensión interfacial (al igual que la superficial) puede reducirse con el uso de aditivos emulsificantes. Estas sustancias se acumulan en la zona de contacto de las dos fases de la emulsión, reduciendo la tensión interfacial. Las siliconas, por ejemplo, se utilizan en los aceites minerales para reducir la tensión superficial y facilitar la formación de emulsiones. La tensión interfacial está en relación con otras propiedades del aceite, tales como la viscosidad, el pH y la viscosidad.
LA ENERGÍA SUPERFICIAL La energía superficial se define como la energía necesaria para romper los enlaces intermoleculares dando lugar a una superficie. En la física del sólido, las superficies deben ser intrínsecamente menos favorables energéticamente que la masa; es decir, debe haber una fuerza que genera la superficie. La energía superficial puede ser definida como el exceso de energía de la superficie de un material comparado con la que tendría si estuviera inmersa en la masa. Para los líquidos, la tensión superficial (fuerza por unidad de longitud) y la densidad de energía superficial son idénticos. El agua tiene una densidad de energía superficial de 0.072 J/m 2 y una tensión superficial de 0.072 N/m. Si se corta un sólido en piezas se rompen sus enlaces y entonces se consume energía. Si el corte es reversible la conservación de energía nos dice que la energía consumida en el proceso de corte debe ser igual a la energía inherente en las dos nuevas superficies creadas. La unidad de energía superficial de un material debe ser, por lo tanto, la mitad de su energía de cohesión, siendo el
resto de condiciones iguales. En la práctica esto es cierto solo para una superficie recién cortada preparada en vacío. Las superficies a veces cambian su forma de forma irreversible alejándose de modelos simples. Se han encontrado regiones altamente dinámica, que reaccionan o cambian rápidamente, lo que hace que la energía superficial se ve reducida por procesos de pasivación o absorción.
ENERGÍA LIBRE SUPERFICIAL
La energía libre superficial
se define como el trabajo requerido para crear
una nueva área superficial unitaria (
).
Una manera alterna de describir el fenómeno de tensión superficial es mediante la energía libre superficial. Consideremos a las moléculas que componen a un volumen de agua y observemos primero a aquellas que se encuentran dentro del mismo. Cada molécula que se encuentra en contacto con un vecino, está en un estado de energía más bajo que si no se encontrara en contacto con él. Las moléculas que se encuentran en el interior del volumen del líquido tienen
vecinos. Por lo contrario, aquellas que se encuentran en la
superficie, tienen menos vecinos: , y por lo tanto, se encuentran en un estado de energía más alto. Para que el líquido pueda minimizar su estado energético, éste debe disminuir el número de moléculas en la superficie y por l o tanto tiende a disminuir su área de superficie. La tensión superficial opera bajo este principio, en términos energéticos. Si se quisiera incrementar el área de la superficie, se requeriría de una energía adicional para pasar algunas de las moléculas del interior del fluido (que tenían menos energía potencial que las de la superficie) y romper la interacción intermolecular con sus vecinos, que le permita migrar a la superficie. Esta energía necesaria para crear un área de superficie unitaria se denomina energía libre de superficie o energía libre superficial.
ENERGIA INTERFACIAL Por definición, la energía interfacial o energía libre interfacial es G = G 0 + A·γ y se entiende como el exceso de Energía libre de Gibbs que aparece como consecuencia de la existencia de una intercara de área A. Otra manera de verlo, es pensar que es el trabajo necesario para crear una intercara de área unidad a presión y temperaturas constantes.
Para entender la variación de éste concepto, se suele recurrir a las pompas de jabón que se forman en una línea cerrada de alambre o similar, puesto que es un ejemplo fácilmente medible e imaginable. Si consideramos una línea de alambre rectangular, en la que uno de los lados es móvil, y en donde F es la fuerza necesaria para mantener la barra en la posición inicial:
Si movieramos el lado móvil una distancia dx, produciríamos una variación de área de la superficie jabonosa dA realizando un trabajo:
Por lo que si γ no es función de A, vemos que F = γ. En líquidos podemos considerar que γ no es función de A, puesto que no hay
fuerzas tangenciales. Sin embargo, en los sólidos la viscosidad es mucho más elevada, por lo que puede ocurrir que no se cumpla la igualdad anterior. Esto se debe a que para viscosidades más altas, los átomos necesitan mucha más energía para reordenarse, por lo que es más difícil que se produzca la transferencia de átomos entre la superficie y el volumen necesaria para que se mantenga la estructura superficial. Pero teniendo en cuenta que en muchos casos de interés la movilidad de los átomos no será tan reducida debido a que se producen a altas temperaturas cercanas a la de fusión, es posible aceptar que la fuerza F = γ, pero siempre
recordando que se mantenga esta condición. El origen atómico de la energía interfacial, es el hecho de que los átomos de las capas atómicas próximas a la superficie no tienen todos los vecinos que deberían, y por tanto la energía interna de cada átomo de la superficie aumenta con respecto a los átomos internos en el material. Por ejemplo, para el caso de una red fcc en la que el número de vecinos próximos es 12, en la superficie de la cara {1 1 1} faltarían 3 de esos átomos, por lo que la energía del resto se ve aumentada una cantidad de 3ε/2 con respecto a los átomos internos. Podemos ver que por cada mol de material que
se sublime se rompen 12·N A enlaces, por lo que podemos considerar L s = 12·N A·ε/2. Por lo que a partir de esta estimación, la energía superficial para la cara {1 1 1} descrita anteriormente, sería E sv = 0,25 Ls / N A. De esta forma, vemos que la energía interfacial depende del tipo de estructura que estudiemos y del plano en el que se encuentra la superficie, puesto que el número de enlaces rotos varía mucho. Como mostramos en la siguiente figura, el número de enlaces rotos es mucho mayor en la primera imagen que en la segunda, por lo que la energía interfacial será mayor:
Si nos vamos ahora al límite macroscópico, el plano superficial tiene índices de miller irracionales, y estará compuesta por una serie de terrazas con alto grado de empaquetamiento y escalones (algo parecido a la segunda imagen). Por tanto, si definimos θ como el ángulo que forma el plano superficial (la línea roja)
con la dirección normal de la estructura atómica (línea verde), vemos que los enlaces rotos en las terrazas son cos θ /a y en los escalones sen θ /a, por lo
que aplicando las ecuaciones anteriores: Esv = ((cos θ + sen θ)ε)/2·a^2
Lo que nos da una primera aproximación para la energía interfacial en función del ángulo. Si representamos la ecuación anterior obtenemos:
Podemos observar que existe un mínimo para θ=0, que evidentemente
corresponde a un corte paralelo a la dirección natural de la estructura atómica, en el que no se han formado terrazas. Por tanto, todos los planos de índices bajos estarán colocados en puntos similares de la figura y las superficies escalonadas en puntos de energía creciente cuanto mayor sea el ángulo que formen. Por tanto, la energía será máxima en el corte de la primera figura (θ=45º), en donde se ha formado el mayor número de escalones posible. Por tanto, si estudiamos la representación de γ con respecto a la orientación
del plano de la superficie, llegamos a la construcción de Wulff:
Para realizarla, se construye una superficie alrededor del origen de tal forma que la energía libre de cualquier plano sea igual a la distancia entre el origen y la superficie medida a lo largo de la normal al plano en cuestión.
La energía superficial total será el sumatorio de los diferentes A i·γi, y la superficie de equilibrio será la que haga de este sumatorio un valor mínimo. Por último, si para cada punto del diagrama trazamos un plano como el OA (como se muestra en la figura), la forma de equilibrio sería simplemente la envolvente interior de todos los planos de Wulff.
¿Cómo se comporta la superficie de un líquido en contacto con la superficie de un sólido?
Cuando un líquido se encuentra en contacto con una superficie (ya sea que se encuentre dentro de un contenedor, haya sido derramado sobre una superficie, etc.), la superficie del líquido suele exhibir una ligera curvatura junto en el punto donde toca la superficie. Esta curvatura se puede medir mediante el ángulo de contacto. Ésta es la que existe entre la superficie del sólido con el cual el líquido está en contacto, y el plano tangente a la curvatura de la superficie del líquido donde toca la superficie. Este ángulo se mide dentro del líquido, como se muestra a continuación:
La forma particular que adopta esta curvatura se determina mediante las magnitudes relativas de lo que llamamos las fuerzas adhesivas y cohesivas. La fuerza adhesiva es una fuerza atractiva que ejercen las moléculas del sólido sobre la superficie del líquido. La fuerza cohesiva es la fuerza atractiva que es ejercida sobre las moléculas de la superficie del líquido por las demás moléculas del mismo líquido. Consideremos un líquido dentro de un contenedor cuyas paredes son verticales. Si la fuerza adhesiva es grande en comparación con la fuerza cohesiva, la curvatura del ángulo de contacto (es decir, el menisco) será cóncavo: su ángulo de contacto será menor a 90°. Con este ángulo característico, se dice que el líquido “moja” el sólido con el cual está en
contacto. Por lo contrario, si la fuerza adhesiva es pequeña en comparación con la fuerza cohesiva, el menisco será convexo: su ángulo de contacto será mayor a 90°. Cuando el mercurio reposa sobre una superficie de vidrio limpio y pulido, forma pequeños volúmenes esféricos cuyos ángulos de contacto son aproximadamente de 140°. Bajo este caso se dice que se tienen gotas de mercurio y éste no moja a la superficie de vidrio.
BIBLIOGRAFIA
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_superficial http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_superficial http://fismat.uia.mx/fismat/PAGINA/HTML/Materia%20%C3%8Dndice/En ergia%20libre%20superficial/Energia%20libre%20superficialFrameset.html http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/alva_d_mm/capitul o5.pdf http://www.slideshare.net/gueste9e8e9/diapositivas-interfasespresentation http://www.geocities.ws/ivanmet1/tension.html
