1. Introducción Los líquidos están formados por sustancias en un estado de la materia intermedio entre sólido y gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Las moléculas en el estado líquido ocupan posiciones al azar que varían con el tiempo. Las distancias intermoleculares son constantes dentro de un estrecho margen. En algunos líquidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisótropas (propiedades, como el índice de refracción, que varían según la dirección dentro del material). Los líquidos presentan tensión superficial y capilaridad, generalmente se dilatan cuando se incrementa su temperatura y pierden volumen cuando se enfrían, aunque sometidos a compresión su volumen es muy poco variable a diferencia de lo que sucede con otros fluidos como los gases. Los objetos inmersos en algún líquido son sujetos a un fenómeno conocido como flotabilidad.
2. Objetivos
3.
Conocer las fórmulas más importantes sobre viscosidad, tensión superficial, capilaridad.
Investigar y complementar los temas de cohesión, adhesión, tensión superficial, capilaridad y viscosidad.
Metodología
Los temas de cohesión, adhesión, tensión superficial, capilaridad y viscosidad de un líquido serán estudiados de manera indirecta, ya que se investigara en libros e internet la parte teórica de cada tema y sus fórmulas correspondientes.
4.
Marco teórico
4.1 La cohesión La atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es distinta de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos. En los gases, la fuerza de cohesión puede observarse en su licuefacción, que tiene lugar al comprimir una serie de moléculas y producirse fuerzas de atracción suficientemente altas para proporcionar una estructura líquida. En los líquidos, la cohesión se refleja en la tensión superficial, causada por una fuerza no equilibrada hacia el interior del líquido que actúa sobre las moléculas superficiales, y también en la transformación de un líquido en sólido cuando se comprimen las moléculas lo suficiente. En los sólidos, la cohesión depende de cómo estén distribuidos los átomos, las moléculas y los iones, lo que a su vez depende del estado de equilibrio (o desequilibrio) de las partículas atómicas. Muchos compuestos orgánicos, por ejemplo, forman cristales moleculares, en los que los átomos están fuertemente unidos dentro de las moléculas, pero éstas se encuentran poco unidas entre sí.
Como podemos comprobar en la vida cotidiana, estas fases de la materia, se aplican a casi todos los campos de la técnica: - Máquinas de fluidos: Bombas y Turbinas. - Redes de distribución. - Regulación de máquinas. - Transmisiones de fuerza y controles hidráulicos y neumáticos. - Acoplamientos y cambios de marcha.
4.2 Adherencia La adherencia se define como la atracción mutua entre superficies de dos cuerpos puestos en contacto. Cerca de cuerpos sólidos tales como las paredes de una vasija, canal o cauce que lo contenga, la superficie libre del líquido cambia de curvatura de dos formas distintas a causa de la adherencia y cohesión. Si se suspende de una platilla de una balanza un disco de vidrio en posición horizontal; después de equilibrarlo en el otro platillo se inclina la cruz hasta que el disco toque la superficie del agua contenida en un vaso; cargando entonces el platillo se ve que el disco comienza a elevarse arrastrando una columna de agua, que acaba de romperse, quedando el disco mojado. Se dice en este caso que el agua moja al disco. La capa del líquido se
adhiere al disco y el resto asciende ayudado por la cohesión. Como la capa de agua se rompe, se deduce que en este caso la adherencia es mayor que la cohesión. Si en vez de agua se realiza la misma prueba con mercurio, vemos como el agua no moja al sólido. Aquí la capa líquida se deprime hacia las paredes. En este otro caso deducimos que la cohesión es mayor que la adherencia, no llegando a romperse la barra líquida. Vemos pues como en el efecto de la capilaridad de los líquidos actúa la adherencia y la cohesión.
4.2 Tensión de Superficie Las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan las propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial. Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas, pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial). Cuando el agua se coloca sobre una superficie cerosa, esta se curva formando esferas distorsionadas, el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una "membrana elástica" invisible. La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma esférica de las gotas, del ascenso de los líquidos en los tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en su superficie. Es la causa que algunos cuerpos puedan flotar sobre la superficie del agua a pesar de ser más densos que ella, de la formación de gotas de agua sobre superficies enceradas, o del menisco que se forma en los recipientes cilíndricos, que también son consecuencia de la polaridad de la molécula. Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie y es la tendencia de un líquido a disminuir su superficie hasta que su energía de superficie potencial es mínima, condición necesaria para que el equilibrio sea estable. Como la esfera presenta un área mínima para un volumen dado, entonces por la acción de la tensión superficial, la tendencia de una porción de un líquido lleva a formar una esfera o a que se produzca una superficie curva o menisco cuando un líquido está en contacto con un recipiente. La tensión superficial actúa como una fuerza que se opone al aumento de área del líquido; se mide en dinas cm-1 o en ergios cm-2. Es la fuerza en dinas necesaria para romper una película de 1 cm de longitud.
La energía superficial por centímetro cuadrado se representa con la letra griega gamma ( ). Los valores de la tensión superficial demuestran que las moléculas superficiales tienen una energía aproximadamente 25 % mayor que las que se encuentran en el interior del fluido. Este exceso de energía no se manifiesta en sistemas ordinarios debido a que el número de moléculas en la superficie es muy pequeño en comparación con el número total del sistema. Para aumentar la superficie de un líquido y, por tanto, para llevar moléculas a la superficie hay que realizar un trabajo contra estas fuerzas atractivas aumentando la energía potencial del sistema. El trabajo realizado es proporcional al aumento de la superficie y al coeficiente de tensión superficial (en el S.I. se mide en
)
Dónde: W = Trabajo = Coeficiente de tensión superficial ∆S = Variación de la superficie
Teniendo en cuenta, por otra parte, que el trabajo W se puede escribir como, , y que , siendo l una longitud característica del sistema líquido respecto de la cual se aumenta su superficie, entonces , es decir,
Dónde: F = Fuerza de tensión superficial = Coeficiente de tensión superficial L = Variación de la longitud que aumenta
Las fuerzas de tensión superficial de un líquido son proporcionales a la longitud característica respecto a la cual se aumenta su superficie, por ello la tensión superficial también se expresa en N/m.
Tabla (1). Coeficientes de tensión superficial respecto al aire líquido
Agua
Agua jabonosa
Alcohol etílico
Mercurio
7,3
3,0
2,2
47
4.3 Capilaridad 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: En un recipiente se vierte agua (coloreada de un cierto tinte para ver con mayor claridad el efecto que se produce).
Entre más delgado el capilar, más sube la columna de líquido.
Se introduce en el recipiente un tubo de cristal alargado y estrecho. Inmediatamente parte de agua del recipiente ascenderá por el tubo hasta 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 dicho líquido. Si cogemos un tubo con un mayor diámetro el agua que ascenderá por él llegará a menor altura pero el peso del líquido que queda dentro del tubo también es igual a la tensión superficial de dicho líquido. A este fenómeno se le conoce como Capilaridad líquida.
Si tomamos un tubo de cristal grueso comunicado con uno fino y echamos agua en él se verá cómo en el tubo grueso el agua alcanza menos altura que en el fino, como se ilustra en la figura a la izquierda. Si hacemos la misma prueba con mercurio en vez de con agua (tal como se compara en la misma figura) resultará que en el tubo grueso el mercurio alcanza más altura que en el fino. Además, en el primer caso, se puede ver que el agua se une con la pared del tubo (menisco) de forma cóncava, mientras que con el mercurio lo hace de forma convexa. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moja). En palabras más sencillas, cuando se introduce un capilar Agua Mercurio en un recipiente Efectos de capilaridad. con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente. El líquido sube hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer
La atracción adhesiva hacia el vidrio es mayor que la adhesión intermolecular del agua.
la
gravedad.
Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión a las paredes del capilar (como el caso del mercurio), la tensión superficial hace que el líquido llegue a un nivel inferior, y su superficie es convexa.
Fig. 6.7.Tensión superficial. Visión a nivel molecular de las fuerzas intermoleculares que actúan sobre una molécula de la superficie de un líquido, comparada con las fuerzas entre las moléculas que tienen una posición en el interior.
Líquido
Tensión superficial Tensión superficial Líquido Dinas cm-1 Dinas cm-1 465.0 Alcohol etílico 22.75 23.7 Éter etílico 17.01 28.85 n-Hexano 18.43
Mercurio Acetona Benceno Tetracloruro 26.95 de carbono Acetato de 23.90 etilo
Metanol
22.61
Tolueno
28.5
Agua
72.75
Tabla 6.3.- Tensión superficial de algunos líquidos (a 20ºC) Fig. 6.8. La tensión superficial del agua es 72 dinas cm-1 a 25°C y disminuye notablemente con la temperatura como se ve en la gráfica. La tensión superficial se origina en la naturaleza polar de la molécula de agua.
En el caso de un tubo de radio pequeño. En estos casos, además de la curvatura superficial, generalmente, se observa que el líquido asciende (o desciende) por el tubo una altura inversamente proporcional al valor del radio. El fenómeno es de capilaridad y ese tipo de tubos se denominan capilares. Teóricamente, la relación entre la altura h y el radio del tubo R se obtiene considerando la presión debida a la curvatura y la correspondiente a la columna de líquido en el tubo, y suponiendo que la superficie del líquido dentro del tubo es aproximadamente esférica.
Por ejemplo, en el caso del agua con un y un menisco cóncavo [siendo la presión mayor en la parte cóncava por lo que la ecuación tiene signo negativo], la presión en un punto interior del líquido junto a la superficie es
La presión en un punto a un nivel igual al de la superficie del líquido en el recipiente (punto 2) es igual a la presión en el exterior . Por tanto, según la ecuación fundamental de la hidrostática:
Combinando ambas ecuaciones se obtiene la ley de capilaridad que se suele expresar en función del radio del tubo y del ángulo de contacto en las paredes
En la mayoría de los casos como el de un capilar de vidrio y el agua, las fuerzas de adhesión son mayores que las de cohesión, la superficie es cóncava y el líquido sube por el tubo. En el de un capilar de vidrio y el mercurio, por el contrario, las fuerzas de cohesión son mayores, la superficie es convexa y el líquido baja por el tubo
.
4.2 La viscosidad Los líquidos se caracterizan por una resistencia al fluir llamada viscosidad. Eso significa que para mantener la velocidad en un líquido es necesario aplicar una fuerza, y si dicha fuerza cesa el movimiento del fluido eventualmente cesa. La viscosidad de un líquido crece al aumentar el número de moles y disminuye al crecer la temperatura. La viscosidad también está relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el líquido: es baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. Es una propiedad característica de todo fluido (líquidos o gases). La viscosidad es una medida de la resistencia al desplazamiento de un fluido cuando existe una diferencia de presión. Cuando un líquido o un gas fluyen se supone la existencia de una capa estacionaria, de líquido o gas, adherida sobre la superficie del material a través del cual se presenta el flujo. La segunda capa roza con la adherida superficialmente y ésta segunda con una tercera y así sucesivamente. Este roce entre las capas sucesivas es el responsable de la oposición al flujo o sea el responsable de la viscosidad. La viscosidad se mide en poises, siendo un poise la viscosidad de un líquido en el que para deslizar una capa de un centímetro cuadrado de área a la velocidad de 1 cm/s respecto a otra estacionaria situado a 1 cm de distancia fuese necesaria la fuerza de una dina. La viscosidad suele decrecer en los líquidos al aumentar la temperatura, aunque algunos pocos líquidos presentan un aumento de viscosidad cuando se calientan. Para los gases la viscosidad aumenta al aumentar la temperatura. La viscosidad de un líquido se determina por medio de un viscosímetro entre los cuales el más utilizado es el de Ostwald,2 este se utiliza para determinar viscosidad relativas, es decir, que conociendo la viscosidad de un líquido patrón, generalmente agua, se obtiene la viscosidad del líquido problema a partir de la ecuación:
........................ecuación 1
Dónde:
= Velocidad de flujo del líquido a lo largo de un tubo . r = Radio del tubo. L = Longitud (P1 - P2) = Diferencia de presión
A pesar de esto la determinación de las variables L y r es complicado, para esto empleamos un método de comparación entre un líquido de viscosidad desconocida y el agua como un líquido base, pero si consideramos que D P es en proporción a la densidad r tenemos el siguiente análisis.
.........................ecuación 2 Dónde: m 1= Viscosidad del líquido desconocido. m Viscosidad del agua.
5.
Conclusiones
5.1 Las fórmulas más importantes del presente informe son:
Tensión superficial:
Dónde: W = Trabajo = Coeficiente de tensión superficial ∆S = Variación de la superficie
Capilaridad:
Dónde: P2 = La presión en un punto a un nivel igual al de la superficie del líquido P0 = presión en el exterior P1 = Punto interior p = Densidad del liquido g = Gravedad h = Altura
Viscosidad :
........................ecuación 1
Dónde:
= Velocidad de flujo del líquido a lo largo de un tubo . r = Radio del tubo. L = Longitud (P1 - P2) = Diferencia de presión
5.2 Las fuerzas intermoleculares que enlazan moléculas similares entre sí, tal como los puentes de hidrógeno son llamadas fuerzas cohesivas y las fuerzas intermoleculares que enlazan una sustancia a una superficie se llaman fuerzas adhesivas.
5.3 El agua colocada en un capilar se adhiere a este, debido a que las fuerzas adhesivas entre el agua y las paredes del capilar son más grandes que las fuerzas cohesivas entre las moléculas de agua.
5.4 La capilaridad, es el fenómeno al cual se debe, parcialmente, el ascenso de la savia desde las raíces hasta las hojas.
5.5 La cohesión, la adhesión y la tensión superficial causan la capilaridad (movimiento de agua hacia arriba de un capilar.
6.
bibliografia
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http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Capilaridad.html
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http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000051/lecciones/cap01/06_08.htm
http://www.pps.k12.or.us/district/depts/edmedia/videoteca/curso3/htmlb/SEC_62.HTM
http://www.monografias.com/trabajos16/propiedades-liquidos/propiedadesliquidos.shtml
http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido#Viscosidad
Apuntes de clase
