La capilaridad de los líquidos
La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual, a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Para entenderlo, veamos un experimento clásico: n un recipiente se vierte a!ua (coloreada de un cierto tinte para ver con ma"or claridad el efecto que se produce).
Entre más delgado el capilar, más sube la columna de líquido.
#e introduce en el recipiente un tuvo de cristal alar!ado " estrec$o. %nmediatamente parte de a!ua del recipiente ascenderá por el tubo $asta alcanzar una altura determinada, esta altura será tal que el peso del líquido que quede dentro del tubo sea igual a la tensión superficial de dic$o líquido. #i co!emos un tubo con un ma"or diámetro el a!ua que ascenderá por &l lle!ará a menor altura pero el peso del líquido que queda dentro del tubo tambi&n es i!ual a la tensión superficial de dic$o líquido. #i se tuviese un tubo tan fino como el de un cabello, la cantidad de líquido ascendería muc$o más en altura pero el peso del líquido líquido que queda dentro del tubo tambi&n es i!ual a la tensión superficial de dic$o líquido. ' este fenmeno se le conoce como Capilaridad líquida. #i tomamos un tubo de cristal !rueso comunicado con uno fino " ec$amos a!ua en &l se verá cmo en el tubo !rueso el a!ua alcanza menos altura que en el fino, como se ilustrra en la fi!ura a la izquierda. #i $acemos la misma prueba con mercurio en vez de con a!ua (tal como se compara en la misma fi!ura) resultará que en el tubo !rueso el mercurio alcanza más altura que en el fino. 'demás, en el primer caso, se puede ver que el a!ua se une con la pared del tubo (menisco) de forma cóncava, mientras que con el mercurio lo $ace de forma convexa. '!ua ercurio Efectos de capilaridad.
*uando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o co$esin intermolecular) entre sus mol&culas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moa). n palabras más sencillas, cuando se introduce un capilar en un recipiente con a!ua, &sta asciende por el capilar como si trepase a!arrándose por las paredes, $asta alcanzar un nivel superior al del recipiente. l líquido sube $asta que la tensin superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. +ste es el caso del agua, " &sta propiedad es la que re!ula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin !astar ener!ía para vencer la !ravedad.
La atracción adhesiva hacia el vidrio es ma!or que la adhesión intermolecular del agua.
#in embar!o, cuando la co$esin entre las mol&culas de un líquido es más potente que la ad$esin a las paredes del capilar (como el caso del mercurio), la tensin superficial $ace que el líquido lle!ue a un nivel inferior, " su superficie es convexa. n física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de ener!ía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.- sta definicin implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. ste efecto permite a al!unos insectos, como el zapatero (/erris lacustris), desplazarse por la superficie del a!ua sin $undirse. La tensin superficial (una manifestacin de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos " las superficies slidas que entran en contacto con ellos, da lu!ar a la capilaridad.0uerza que act1a tan!encialmente por unidad de lon!itud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio " que tiende a contraer dic$a superficie. en pocas palabras la elevacin o depresin de la superficie de un liquido en la zona de contacto con un solido.
Índice [ocultar] •
1 Causa
•
2 Propiedades
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3 Valores para diferentes materiales
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4 Véase también
•
5 Referencias o
5.1 Notas
o
5.2 iblio!raf"a
o
5.3 #nlaces e$ternos
[editar] Causa
%ia!rama de fuer&as entre dos moléculas de un l"'uido.
#ste clip est( deba)o del ni*el del a!ua+ 'ue ,a aumentado li!eramente. -a tensin super/cial e*ita 'ue el clip se sumer)a 0 'ue el *aso rebose.
' nivel microscpico, la tensin superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada mol&cula son diferentes en el interior del líquido " en la superficie. 'sí, en el seno de un líquido cada mol&cula está sometida a fuerzas de atraccin que en promedio se anulan. sto permite que la mol&cula ten!a una ener!ía bastante baja. #in embar!o, en la superficie $a" una fuerza neta $acia el interior del líquido. 2i!urosamente, si en el exterior del líquido se tiene un !as, existirá una mínima fuerza atractiva $acia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la !ran diferencia de densidades entre el líquido " el !as. 3tra manera de verlo es que una mol&cula en contacto con su vecina está en un estado menor de ener!ía que si no estuviera en contacto con dic$a vecina. Las mol&culas interiores tienen todas las mol&culas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores " por eso tienen un estado más alto de ener!ía. Para el líquido, el disminuir su estado ener!&tico, es minimizar el n1mero de partículas en su superficie.4 ner!&ticamente, las mol&culas situadas en la superficie tiene una ma"or ener!ía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será disminuir la ener!ía total, " ello se lo!ra disminu"endo el n1mero de mol&culas situadas en la superficie, de a$í la reduccin de área $asta el mínimo posible. *omo resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda "a que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuacin de
uler5La!ran!e. 6e esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de ener!ía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial !ravitacional.
[editar] Propiedades
-a tensin super/cial puede afectar a ob)etos de ma0or tamao impidiendo+ por e)emplo+ el ,undimiento de una or.
La tensin superficial suele representarse mediante la letra . #us unidades son de 78m5 98m54 (v&ase análisis dimensional). 'l!unas propiedades de : •
+ 0a 'ue para aumentar el estado del l"'uido en contacto ,ace falta lle*ar m(s moléculas a la super/cie+ con lo cual disminu0e la ener!"a del sistema 0 es
o la cantidad de traba)o necesario para lle*ar una molécula a la super/cie. •
depende de la naturale&a de las dos fases puestas en contacto 'ue+ en !eneral+ ser( un l"'uido 0 un slido. s"+ la tensin super/cial ser( i!ual por e)emplo para a!ua en contacto con su *apor+ a!ua en contacto con un !as inerte o a!ua en contacto con un slido+ al cual podr( mo)ar o no 6*éase capilaridad7 debido a las diferencias entre las fuer&as co,esi*as 6dentro del l"'uido7 0 las ad,esi*as 6l"'uido8super/cie7.
•
se puede interpretar como un fuer&a por unidad de lon!itud 6se mide en N9m817. #sto puede ilustrarse considerando un sistema bif(sico con/nado por un pistn m*il+ en particular dos l"'uidos con distinta tensin super/cial+ como podr"a ser el a!ua 0 el ,e$ano. #n este caso el
l"'uido con ma0or tensin super/cial 6a!ua7 tender( a disminuir su super/cie a costa de aumentar la del ,e$ano+ de menor tensin super/cial+ lo cual se traduce en una fuer&a neta 'ue mue*e el pistn desde el ,e$ano ,acia el a!ua. •
#l *alor de depende de la ma!nitud de las fuer&as intermoleculares en el seno del l"'uido. %e esta forma+ cuanto ma0or sean las fuer&as de co,esin del l"'uido+ ma0or ser( su tensin super/cial. Podemos ilustrar este e)emplo considerando tres l"'uidos: ,e$ano+ a!ua 0 mercurio. #n el caso del ,e$ano+ las fuer&as intermoleculares son de tipo fuer&as de Van der ;aals. #l a!ua+ aparte de la de Van der ;aals tiene interacciones de puente de ,idr!eno+ de ma0or intensidad+ 0 el mercurio est( sometido al enlace met(lico+ la m(s intensa de las tres. s"+ la de cada l"'uido crece del ,e$ano al mercurio.
•
Para un l"'uido dado+ el *alor de disminu0e con la temperatura+ debido al aumento de la a!itacin térmica+ lo 'ue redunda en una menor intensidad efecti*a de las fuer&as intermoleculares. #l *alor de tiende a cero conforme la temperatura se apro$ima a la temperatura cr"tica
[editar] Valores para diferentes materiales jemplos de tension superficial : ;abla de tensin superficial de líquidos a 4< =* Material
Tensión Supercial / (10! "/m#
cetona
23+=
enceno
2>+>5
2?+@5
cetato de etilo
23+@
lco,ol et"lico
22+=5
Ater et"lico
1=+1
Be$ano
1>+43
etanol
22+?1
2>+5
!ua
=2+=5
n un fluido cada mol&cula interacciona con las que le rodean. l radio de accin de las fuerzas moleculares es relativamente peque>o, abarca a las mol&culas vecinas más cercanas. ?amos a determinar de forma cualitativa, la resultante de las fuerzas de interaccin sobre una mol&cula que se encuentra en •
+ el interior del l"'uido
•
+ en las pro$imidades de la super/cie
•
C+ en la super/cie
*onsideremos una mol&cula (en color rojo) en el seno de un líquido en equilibrio, alejada de la superficie libre tal como la '. Por simetría, la resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las mol&culas (en color azul) que la rodean, será nula. n cambio, si la mol&cula se encuentra en @, por existir en valor medio menos mol&culas arriba que abajo, la mol&cula en cuestin estará sometida a una fuerza resultante diri!ida $acia el interior del líquido. #i la mol&cula se encuentra en *, la resultante de las fuerzas de interaccin es ma"or que en el caso @. La fuerzas de interaccin, $acen que las mol&culas situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza diri!ida $acia el interior del líquido. *omo todo sistema mecánico tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja ener!ía potencial, se comprende que los líquidos ten!an tendencia a presentar al exterior la superficie más peque>a posible.
Coeciente de tensión supercial De puede determinar la ener!"a super/cial debida a la co,esin mediante el dispositi*o de la /!ura.
Ana lámina de jabn queda ad$erida a un alambre doblada en doble án!ulo recto " a un alambre deslizante '@. Para evitar que la lámina se contrai!a por efecto de las fuerzas de co$esin, es necesario aplicar una fuerza F al alambre deslizante. La fuerza F es independiente de la lon!itud x de la lámina. #i desplazamos el alambre deslizante una lon!itud ∆ x, las fuerzas exteriores $an realizado un trabajo F ∆ x, que se $abrá invertido en incrementar la ener!ía interna del sistema. *omo la superficie de la lámina cambia en ∆S=4d ∆ x (el factor 4 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de las mol&culas que se encontraban en el interior del líquido se $an trasladado a la superficie reci&n creada, con el consi!uiente aumento de ener!ía. #i llamamos a γ la ener!ía por unidad de área, se verificará que
la ener!ía superficial por unidad de área o tensin superficial se mide en Bm4 o en 7Bm. La tensin superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea " de la temperatura. n !eneral, la tensin superficial disminu"e con la temperatura, "a que las fuerzas de co$esin disminu"en al aumentar la a!itacin t&rmica. La influencia del medio exterior se comprende "a que las mol&culas del medio ejercen acciones atractivas sobre las mol&culas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las mol&culas del líquido. ;ensin superficial de los líquidos a 4
(10! "/m# 33.?
!ua
=2.>
lco,ol et"lico
22.>
enceno
2@.
Elicerina
[email protected]
Petrleo
2?.
"uente: anual de 0ísica, Dos$Ein 7. %. , #$irE&vic$ . /.. ditorial ir (-FGH)
Medida de la tensión supercial de un l%&uido #l método de %u Nou0 es uno de los m(s conocidos. De mide la fuer&a adicional FF 'ue ,a0 'ue e)ercer sobre un anillo de aluminio )usto en el momento en el 'ue la l(mina de l"'uido se *a a romper.
-a tensin super/cial del l"'uido se calcula a partir del di(metro 2R del anillo 0 del *alor de la fuer&a FF 'ue mide el dinammetro.
#l l"'uido se coloca en un recipiente+ con el anillo inicialmente sumer!ido. ediante un tubo 'ue ,ace de sifn se e$trae poco a poco el l"'uido del recipiente.
#n la /!ura se representa:
1. #l comien&o del e$perimento 2. Cuando se *a formando una l(mina de l"'uido. 3. -a situacin /nal+ cuando la l(mina comprende Gnicamente dos super/cies 6en esta situacin la medida de la fuer&a es la correcta7 )usto antes de romperse. Di el anillo tiene el borde puntia!udo+ el peso del l"'uido 'ue se ,a ele*ado por encima de la super/cie del l"'uido sin perturbar+ es despreciable. No todos los laboratorios escolares disponen de un anillo para reali&ar la medida de la tensin super/cial de un l"'uido+ pero si disponen de portaob)etos para microscopio. De trata de una pe'ueo pie&a rectan!ular de *idrio cu0as dimensiones son aH=5 mm de lar!o+ bH25 mm de anc,o 0 apro$imadamente cH1 mm de espesor+ su peso es apro$imadamente 4.3= !.
De pesa primero el portaob)etos en el aire 0 a continuacin+ cuando su borde inferior toca la superficie del l"'uido. -a diferencia de peso F F est( relacionada con la tensin super/cial FF H29γ 6a+c7 De empu)a el portaob)etos ,acia arriba cuasiest(ticamente. Iustamente+ cuando *a a de)ar de tener contacto con la super/cie del l"'uido+ la fuer&a F 'ue ,emos de e)ercer ,acia arriba es i!ual a la suma de:
•
#l peso del portaob)etos mg
•
-a fuer&a debida a la tensin super/cial de la l(mina de l"'uido 'ue se ,a formado 29γ 6a+c7
•
#l peso del l"'uido ρgach 'ue se ,a ele*ado una altura h+ sobre la super/cie libre de l"'uido. Diendo ρ es la densidad del l"'uido.
Para un portaob)etos de la dimensiones sealadas+ 'ue toca la super/cie del a!ua+ h es del orden de 2.3 mm 6*éase el art"culo citado en las referencias7 •
-a fuer&a debida a la tensin super/cial es 29 γ 6a+c7H29=2.>918 3 96.=5J.17H11.=9183 N
•
#l peso de la l(mina de a!ua es del orden de ρgachH19@.>9.=59.19.23H1.=9183 N
Para 'ue la simulacin sea lo m(s simple posible+ no se ,a tenido en cuenta el peso de la l(mina de l"'uido 'ue se ele*a por encima de la super/cie libre.