Informe de Tension Superficial Labo de Fisica II

“AÑO DE LA INVERSIÓN PARA EL DESARROLLO RURAL Y LA SEGURIDAD ALIMENTARIA” ALIMENTARIA”

Labor at or i odeFí si caI I :“Tensi ónSuper ﬁci al ”

Pro#$%or: Lic. César Cabrera Arista

I&t$'ra&t$%:    

Barrientos Teckse Teckse Juliana Candiotti Velásquez Sand !lorez Gonzales !rancisco "ees Valencia Carola

Laboratorio: 90 G

CALLAO - 2!"

Laboratorio de Física

TENSIÓN SUPERFICIAL I.

OBJETIVOS 1. Estudiar Estudiar el el efecto efecto de tensión tensión superficia superficiall en los los líquidos líquidos

2. determinar el coeficiente de tensión superficial de sustancias desconocidas.

II.

FUNDA DAM MENTO TE TEORICO

En física se denomina tensión superfii!" al fenómeno por el cual la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. Este Este efec efecto to perm permitite e a algu alguno noss inse insect ctos os,, como como el zapatero (Hydrometra stagnorum), desplazarse por la superficie del agua sin undirse. !a tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), "unto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad, por e"emplo. # ni$el microscópico, la tensión superficial se de%e a que las fuerzas que afectan a cada mol&cula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. #sí, en el seno de un líquido cada mol&cula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la mol&cula tenga una energía %astante %a"a. 'in em%argo, en la superficie ay una fuerza neta acia el interior del líquido. igurosamente, si en el eterior del líquido se tiene un gas, eistirá una mínima fuerza atracti$a acia el eterior, aunque en la realidad esta fuerza es desprecia%le de%ido a la gran diferencia de densidad es entre el líquido y el gas. !a tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del líquido a disminuir en lo posi%le su superficie para un $olumen dado, de aquí que un líquido en ausencia de gra$edad adopte la forma esf&rica, que es la que tiene menor relación área*$olumen. Energ&ticamente, las mol&culas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del


sistema será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el n+mero de mol&culas situadas en la superficie, de aí la reducción de área asta el mínimo posi%le.

Pr#pie$!$es !a tensión superficial puede afectar a o%"etos de mayor tamao impidiendo, por e"emplo, el undimiento de una flor. !a tensión superficial suele representarse mediante la letra -. 'us unidades son de /m01/m02. #lgunas propiedades de -3 •

- 4 5, ya que para aumentar el área del líquido en contacto ace falta lle$ar más mol&culas a la superficie, con lo cual aumenta la energía del

sistema y - es

, o la cantidad de tra%a"o necesario para lle$ar

una mol&cula a la superficie. •

-  5 en el punto crítico, ya que las densidades del líquido y del $apor se igualan, por lo que seg+n la 6eoria del 7radiente de 8ensidades (876, en ingl&s) propuesta por $an der 9aals (1:;<), la tensión superficial en el punto crítico de%e ser cero.

•

- depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. #sí, la tensión superficial será diferente por e"emplo para agua en contacto con su $apor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mo"ar o no de%ido a las diferencias entre las fuerzas coesi$as (dentro del líquido) y las adesi$as (líquido0superficie)

•

- se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se mide en /m01). Esto puede ilustrarse considerando un sistema %ifásico confinado por un pistón mó$il, en particular dos líquidos con distinta


tensión superficial, como podría ser el agua y el eano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del eano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mue$e el pistón desde el eano acia el agua. •

El $alor de - depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. 8e esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de coesión del líquido, mayor será su tensión superficial. =odemos ilustrar este e"emplo considerando tres líquidos3 eano, agua y mercurio. En el caso del eano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de >an der 9aals. El agua, aparte de la de >an der 9aals tiene interacciones de puente de idrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. #sí, la - de cada líquido crece del eano al mercurio. =ara un líquido dado, el $alor de - disminuye con la temperatura, de%ido al aumento de la agitación t&rmica, lo que redunda en una menor intensidad efecti$a de las fuerzas intermoleculares. El $alor de - tiende a cero conforme la temperatura se aproima a la temperatura crítica 6 c del compuesto. En este punto, el líquido es indistingui%le del $apor, formándose una fase continua donde no eiste una superficie definida entre am%os.

III.

MATERIALES% • • • • • • • •

?apilar de $idrio y 15 liguitas de 1cm. egla de @5cm.. >aso píre de A55ml. Ho"a de papel milimetrado. ?alculadora científica. #gua on 7licerina


&. C!pi"!r $e 'i$ri#% El capilar es un tu%o de $idrio muy delgado usado generalmente para el estudio de la capilaridad.

(. Re)"! $e *+,% Btil para mediciones longitudinales que tiene como medición mínima 1mm y como error o precisión 5.Amm.

*. P!pe" ,i"i,etr!$#% =apel impreso con finas líneas entrecruzadas, separadas seg+n una distancia determinada (normalmente 1 mm en la escala regular).

Estas

líneas se usan como guías de di%u"o, especialmente para

graficar funciones

matemáticas o

datos

eperimentales y diagramas. 'e emplean en la enseanza de matemáticas e ingeniería.

-. C!"u"!$#r! ientfi! Es un

equipo electrónico que no ser$irá para facilitar

aquellos cálculos que se nos presentara durante la eperiencia

como

tam%i&n

calcular

las

funciones

trascendentes (seno, coseno, logaritmo, eponencial, etc.)

/. 0"ierin! +./L% #lcool incoloro de densidad 1. R#n $e 2ue,!r +./L%

3

1.26 × 10

3

kg / m


El ron de quemar es una solución idroalcoolica coloreada. 'us principales usos son como com%usti%le, para encendido de cocinas a Cerosenes industriales, en algunos casos para limpieza de $idrios, etc.

IV.

PROCEDIMIENTO%

ACTIVIDAD N3 & 1. Dedir cuidadosamente el diámetro interior d del capilar y, la densidad de los tres líquidos de tra%a"o. #note los $alores en la ta%la. 2. Hunda las F partes del capilar para poder empezar con las mediciones. @. ?oloque el capilar dentro del $aso pire, luego lentamente saque $erticalmente este capilar del líquido. <. Dida cuidadosamente la altura  del menisco en el capilar. #note en la ta%la. A. Dida la altura H de la columna del líquido que se suspende dentro del capilar, anote el $alor en la ta%la. epita este paso tres $eces. G. epita el paso 2, @, < y A con los otros líquidos.

V.

CUESTIONARIO%

&. De,uestre $et!""!$!,ente "! '!"i$e4 $e "! eu!ión 5&6 $e est! e7perieni!. θ= angulode contacto


Ty =mg 2

Ts.cosθ = ρl . π . r . h . g 2

γ .2 π .rcosθ= ρ L . π . r . g . h γ =

ρ L . h . g . r 2 cosθ

La tensión superficial que produce el desnivel del liquido dentro del capilar alcanza su máximo valor cosθ =1 cuando el . γ =

ρ L . h . g . d 4

Use "! eu!ión 5&6 8 "#s $!t#s $e "! t!9"! p!r! :!""!r e" #efiiente tensión superfii!" $e !$! "2ui$# us!$# en "! e7perieni!. 2.-

Material

ρ (

g cm

3

) H1(cm)

1 0.885 0.8 1.2!

Agua Ron Aceite glicerina

0.90 1.15 2.00 1."8

H2(cm)

H3(cm)

HP(cm)

D(cm)

T°(c)

0.85 1.15 2.10 1.80

0.85 1.15 2.15 1."5

0.85 1.15 2.12 1.""

0.35 0.11 0.11 0.11

22.5 22.5 2 2

saremos la siguiente ecuación # ρl∗g∗ H ∗d γ = 4

•

γ =

Dediremos primero para el agua. 1 gr

∗9.8 m∗0.85 cm∗ 0.85 cm 4∗cm ∗ s 3

γ =72.888

•

din cm

=ara el ron3

2


γ =

0.885 gr

3

γ =24.94

•

γ =

γ =

2

din cm

=ara el aceite3

∗9.8 m∗2.12 cm∗0.11 cm 4∗ cm ∗s

0.84 gr

3

γ = 47.76

•

∗9.8 m∗1.15 cm∗0.11 cm 4∗ cm ∗s

2

din cm

=ara el glicerina3 1.26 gr

γ =65.57

∗9.8 m∗1.77 cm∗0.11 cm 4∗ cm ∗s 3

2

din cm

C#,p!re e" resu"t!$# #9teni$# en "! pre)unt! !nteri#r; #n "#s $!t#s $e "! 9i9"i#)r!f!< =Cu>" es su $isrep!ni! en !$! !s#? 3.-

Ii%liografía ( din / cm)

Agua

73

Ron

22.3 (din / cm)

Aceite Glicerina

Agua

32

( din / cm)

!3.1 (din / cm)

$atos o%tenidos 72.888 ( din / cm)


Ron

2.9 (din / cm)

Aceite

"."! ( din / cm)

Glicerina

!5.5" (din / cm)

 En el caso del agua $emos que el $alor de la tensión en am%os casos es igual si redondeamos el $alor o%tenido en el la%oratorio.  En el caso del ron o%ser$amos que se acerca el resultado, pudo a%er fallado alguna medición de la altura al momento de ingresar al capilar.  En el caso del aceite o%ser$amos que el resultado se ale"a esto se de%e a que el capilar usado esta%a mal ya que podía a%er contenido un líquido antes y sea reciclado.  En caso de la glicerina o%ser$amos que el $alor si se aseme"a, o%tu$imos un %uen resultado.

-. =En !")@n !s# e" #efiiente $e tensión superfii!" $e un "2ui$# pue$e ser nu"#? E7p"i2u su respuest! o, porque la superficie de un líquido se comporta como una mem%rana elástica que se estira cuando se realiza una fuerza en la superficie del líquido.

/. =En !")@n !s# e" #efiiente $e tensión superfii!" $e un "i2ui$# pue$e ser nu"#? E7p"i2ue su respuest! o, porque la superficie de un liquido se comporta como una mem%rana elástica que se estira cuando se realiza una fuerza en la superficie del liquido.

1. Re!"ie un! )r!fi! en p!pe" ,i"i,etr!$# $e "! tensión superfii!" ρ #,# funión $e "! $ensi$!$ ρ  (φ ) ,!ntenien$# e" $i!,etr# $

#nst!nte =u>" es su #n"usión? E7p"i2ue =ara el agua

DENSIDAD )," 56

COEFICIENTES 56

Laboratorio de Física &.(1

5.GA

&.(1

5.J@

&.(1

5.J1

=ara la glicerina DENSIDAD )," 56 & & &

COEFICIENTES 56 5.G2 5.G2 5.AJ


=ara el ron

D!"#DAD g$ml (%) *.8+ *.8+ *.8+

&'#&#!T" () 0.! 0.3 0.!


=odemos concluir que en cualquier punto del líquido donde la tensión superficial $a ser casi la misma la densidad del líquido no sufre ninguna alteración.

G. =Cree uste$ 2ue un "2ui$# ,>s 'is#s# 2ue #tr#< tiene ,!8#r #efiiente $e tensión superfii!"? E7p"i2ue. o. =orque el coeficiente de tensión superficial y la $iscosidad guardan una relación in$ersamente proporcional. >eamos la eplicación3 sando el m&todo de ayleig (m&todo por goteo)


!a tensión superficial3

KL

5 Vρg

3 radio de la gota

19 NR

3 numero de gotas α 3 ?oeficiente de tensión superficial 8espe"amos > de aquí3 K

>

α 19 NR 5 gρ

!a $iscosidad3 π (  2− 1 ) R t 4

K

n

8 VL

emplazando > en la $iscosidad3 π ( 2− 1 ) R t 4

n

>

8 VL

α 19 NR 5 gρ

MMMMMMMMMM (1)

MMMMMMMMMMMM (2)

emplazando (2) en (1)

( π (  −  ) R t ) 5 gρ 4

n

2

8 L

1

( α 19 NR )

( π (  −  ) R t ) 5 gρ 4

n

2

1

152 LαNR

=or lo tanto la $iscosidad y la tensión superficial están relacionadas en forma in$ersamente proporcional.

H. =Cu>" es "! e7p"i!ión ,ir#sópi! $e" fenó,en# $e tensión superfii!"?


# ni$el microscópico, la tensión superficial se de%e a que las fuerzas que afectan a cada mol&cula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. #sí, en el seno de un líquido cada mol&cula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la mol&cula tenga una energía %astante %a"a. 'in em%argo, en la superficie ay una fuerza neta acia el interior del líquido. igurosamente, si en el eterior del líquido se tiene un gas, eistirá una mínima fuerza atracti$a acia el eterior, aunque en la realidad esta fuerza es desprecia%le de%ido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas. Ntra manera de $erlo es que una mol&cula en contacto con su $ecina está en un estado menor de energía que si no estu$iera en contacto con dica $ecina. !as mol&culas interiores tienen todas las mol&culas $ecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas $ecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. =ara el líquido, el disminuir su estado energ&tico es minimizar el n+mero de partículas en su superficie.OP Energ&ticamente, las mol&culas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el n+mero de mol&culas situadas en la superficie, de aí la reducción de área asta el mínimo posi%le. ?omo resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más sua$e que pueda ya que está pro%ado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler0!agrange. 8e esta forma el líquido intentará reducir cualquier cur$atura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gra$itacional.

&ste clip está de%a'o del nivel del a(ua) que *a aumentado li(eramente. La tensión superficial evita que el clip se sumer'a + que el vaso re%ose.


$ia(rama de fuerzas entre dos mol,culas de un l-quido.

&'emplo de tensión superficial# una a(u'a de acero so%re a(ua.

La tensión superficial puede afectar a o%'etos de ma+or tamao impidiendo) por e'emplo) el *undimiento de una

. =en 2u situ!i#nes es 9ien i,p#rt!nte "! tensión superfii!"? !a tensión superficial resulta ser una magnitud

fundamental

para

entender fenómenos como la capilaridad, solu%ilidad de fluidos inmisci%les, así como para caracterizar los efectos de compuestos surfactantes. 8e igual forma, influye en di$ersas aplicaciones (medicina, procesos %iológicos, soldadura aeroespacial, automotriz, etc.),

por lo qu& conocer el $alor de

dica propiedad para algunas aplicaciones. En metrología la tensión superficial se encuentra in$olucrada en di$ersos fenómenos, pero principalmente en aquellos relacionados con metrología de densidad, principalmente en el m&todo de pesada idrostática, ya que el patrón de densidad se encuentra suspendido de una %alanza mediante un alam%re, el cual entra en contacto con el líquido en el que se encuentra sólido,

esto

pro$oca

inmerso

el

la formación de un menisco, y el tamao de dico

menisco depende del $alor de la tensión superficial del líquido.


Ntro proceso

importante

es el de la influencia

del $alor de la tensión

superficial de los líquidos que son empleados para la cali%ración

de

idrómetros y en donde se utiliza el mismo, ya que en la espiga se presenta la formación del menisco de%ido a la tensión superficial del líquido.

VI. CONCLUSIONES  8e%ido a la tensión superficial, las mol&culas de los líquidos se

atraen unas a otras por tanto las que se encuentran en la superficie tam%i&n estarán atraídas a las del interior así tam%i&n serán atraídas por las mol&culas del recipiente que los contiene, esto puede ser ya que las gotas adquieren una forma esf&rica entonces se puede reducir el n+mero de mol&culas en la superficie, esta tendencia de contracción es moti$o por el cual eiste tensión.  El fenómeno de tensión superficial está muy presente

en

nuestra

$ida cotidiana,

este eplica mucos fenómenos

característicos del estado líquido, por e"emplo la formación de gotas cuando el líquido sale a tra$&s de orificios pequeos, la f or ma ci ón d e es pu ma , e tc . # si mi sm o e st o d a l u g a r a q u e mucos líquidos no pasen a tra$&s de mallas muy finas, tal es el caso del agua a tra$&s de los te"idos del paraguas.  # s i m i s m o

o%ser$amos

i n $e r sa m e n te

de

p r o p or c i o na l

las a

la

ta%las

que

esta

t e m p er at u ra , y a q u e

disminuye a medida que la temperatura aumenta.

VII.

RECOMENDACIONES%

es


 8ominar precisamente el mane"o del instrumento a usar, como el sensor

de presión, para tener un me"or entendimiento de los datos o%tenidos.  'er más precisos en las medidas indirectas realizadas.

VIII.

BIBLIO0RAFIA%

 / lonso  &. inn) -sica) ampos + 4ndas) ol1) &ditorial# ddison 6esle+  7) era+) -sica) ol:; &ditorial; /c ill) ? 199!  ) ears) /. @emansA+) >. Boun() 7. reedman. :: ?niversitaria) &ditorial# Cearson &ducacion) ol1 mexico1999


ANEOS

TENSIÓN SUPERFICIAL DE LOS LKUIDOS A (+3C


L2ui$#

 5&+* N,6

#ceite de oli$a

@@.5G

#gua

J2.:

#lcool etílico

22.:

Ienceno

2;.5

7licerina

A;.<

=etróleo

2G.5

Fuente3 Danual de Qísica, CosRin . S., 'irR&$ic D. 7. Editorial Dir (1;JA) APLICACIONES DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL EN LOS DETER0ENTES T.0 'e usa muco para crear productos químicos que sean capaces de penetrar en las fi%ras de los te"idos para arrancar la suciedad. Estos productos %a"an la tensión superficial y permiten que el agua mo"e me"or los espacios min+sculos entre

las

fi%ras.

#l re$&s, se usa para crear productos impermea%ilizantes o para crear mol&culas de productos especiales que al rociarse so%re las mancas de petróleo sean capaces de undirlas. T.0 !os tensioacti$os llamados tam%i&n surfactantes o agentes de superficie acti$a, son especies químicas con una naturaleza o estructura polar U no polar, con tendencia a localizarse en la interfase formando una capa mono molecular adsor%ida en la interfase que cam%ia el $alor de la tensión superficial. !as soluciones de tensioacti$os resultan ser acti$as al colocarse en forma de capa mono molecular adsor%ida en la superficie entre las fases idrofílicas e idrofó%icas. Esta u%icación VimpideW el tráfico de mol&culas que $an de la superficie al interior del líquido en %usca de un estado de menor energía, disminuyendo así el fenómeno de tensión superficial. T.0 !a detergencia podría definirse como la acción de limpiar la superficie de un material sucio en un %ao líquido en el que se disuel$en uno o $arios solutos 0detergentes0 que ayudan a la limpieza. !os sistemas más importantes de detergencia

emplean

agua

como sol$ente.

n

sistema

detergente

completamente formulado funciona modificando las propiedades de estas


interfases, cam%iando así la energía de las interacciones entre la suciedad y el sustrato. =or lo general, la sal de un ácido car%oílico es más solu%le en agua que el propio ácido. ?uando la parte idrocar%onada del ácido es muy grande en comparación con el grupo car%oilato, la parte iónica de lamol&cula interacciona fa$ora%lemente con el agua y tiende a disol$erse, pero el resto de la cadena no. !as cadenas idrocar%onadas de mol&culas $ecinas se atraen mutuamente por fuerzas de >an der 9aals más de lo que lo están por las mol&culas polares del agua. 8e eco son idrofó%icas, o repelentes de agua, en su comportamiento. !a sal de un ácido de cadena larga, pues, tiene dos regiones3 una ca%eza idrofílica, el grupo car%oilato solu%le en agua, y una cola idrofó%ica, la parte de cadena idrocar%onada que es repelida por las mol&culas del agua y atraída en cam%io por las cadenas idrocar%onadas de las mol&culas $ecinas. !a estructura de estos compuestos pro$oca una orientación particular de sus mol&culas en la superficie del agua3 las ca%ezas están en el agua y las cadenas idrocar%onadas so%resalen acia el aire. !a concentración de mol&culas en la superficie del agua pro$oca que su tensión superficial disminuya. !os compuestos que presentan este comportamiento se llaman compuestos tensoacti$os o surfactantes o surfacti$os. !os "a%ones son un tipo de compuestos tensoacti$os. 6odos los %uenos surfactantes tienen estructuras con una ca%eza idrofílica y una cola idrofó%ica. !oa ácidos con doce o más átomos de car%ono en la cadena idrocar%onada de la mol&cula presentan un comportamiento tensoacti$o.

Informe de Tension Superficial Labo de Fisica II

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