Tensión superficial

La tensión superficial es una característica termodinámica de la interfaz entre dos fases en equilibrio , determinada por el trabajo de formación isotermocinética reversible de una unidad de área de esta interfaz, siempre que la temperatura, el volumen del sistema y los potenciales químicos de todos los componentes en ambas fases se mantienen constantes.

La tensión superficial tiene un doble significado físico: energía (termodinámica) y fuerza (mecánica). Definición de energía (termodinámica): la tensión superficial es el trabajo específico de aumentar la superficie cuando se estira, siempre que la temperatura sea constante. Definición de fuerza (mecánica): la tensión superficial es una fuerza que actúa por unidad de longitud de una línea que limita la superficie de un líquido [1] .

La fuerza de tensión superficial se dirige tangencialmente a la superficie del líquido, perpendicular a la sección del contorno sobre la que actúa y es proporcional a la longitud de esta sección. El coeficiente de proporcionalidad , la fuerza por unidad de longitud del contorno, se denomina coeficiente de tensión superficial. En SI, se mide en newtons por metro. Pero es más correcto definir la tensión superficial como la energía en julios por unidad de superficie rota (m²). En este caso aparece un claro significado físico del concepto de tensión superficial. $\gama$

En 1983, se demostró teóricamente y se confirmó con datos de libros de referencia [2] que el concepto de tensión superficial de un líquido forma parte inequívocamente del concepto de energía interna (aunque específico: para moléculas simétricas de forma cercana a la esférica). Las fórmulas dadas en este artículo de revista permiten que algunas sustancias calculen teóricamente los valores de la tensión superficial de un líquido a partir de otras propiedades físicas y químicas, por ejemplo, del calor de vaporización o de la energía interna [3] [4] ).

En 1985, W. Weisskopf en los Estados Unidos publicó una visión similar sobre la naturaleza física de la tensión superficial como parte de la energía interna para resolver otro problema físico [5] .

La tensión superficial se produce en la interfaz entre los cuerpos gaseosos , líquidos y sólidos. Por lo general, el término "tensión superficial" se refiere a la tensión superficial de los cuerpos líquidos en la interfase líquido-gas. En el caso de una interfaz líquida, la tensión superficial también se puede considerar como una fuerza que actúa por unidad de longitud del contorno de la superficie y tiende a reducir la superficie al mínimo para volúmenes de fase dados.

Un instrumento para medir la tensión superficial se llama tensiómetro .

Manifestaciones

Dado que un aumento en el área superficial de la interfaz líquido-gas requiere la realización de un trabajo, el líquido "tiende" a reducir su área superficial:

en estado de ingravidez, una porción del líquido toma forma esférica (una esfera tiene el área de superficie más pequeña entre todos los cuerpos del mismo volumen). Lo mismo sucede con una gota de líquido colocada dentro de otro líquido inmiscible con el primer líquido de la misma densidad ( experimento de Platón ).
un chorro de agua laminar forma un cilindro, que luego se rompe en gotas esféricas debido a la inestabilidad de Rayleigh-Plateau .
los objetos pequeños con una densidad promedio mayor que la densidad del líquido pueden "flotar" en la superficie del líquido, ya que su peso se equilibra por la fuerza de la tensión superficial.
algunos insectos (por ejemplo, los zancudos de agua ) pueden moverse a través del agua, aferrándose a su superficie debido a las fuerzas de tensión superficial.
En muchas superficies, denominadas no humectables ( hidrofóbicas ), el agua (u otro líquido) se acumula en forma de gotas.

Teoría

Superficie

La superficie de un líquido tiene energía libre :

{\mathcal {E}}_{navegar}=\sigma S,

donde es el coeficiente de tensión superficial,

\sigma

S

es el área superficial total del líquido [6] .

Dado que la energía libre de un sistema aislado tiende a un mínimo, el líquido (en ausencia de campos externos) tiende a tomar una forma que tiene un área de superficie mínima. Así, el problema de la forma de un líquido se reduce a un problema isoperimétrico bajo unas condiciones adicionales dadas (distribución inicial, volumen, etc.). Una gota libre tiende a tomar la forma de una bola , pero bajo condiciones iniciales más complejas, el problema de la forma de la superficie del líquido se vuelve extremadamente complejo matemáticamente.

Fórmula de Laplace

Considere una película líquida delgada cuyo espesor puede despreciarse. En un esfuerzo por minimizar su energía libre, la película crea una diferencia de presión desde diferentes lados. Esto explica la formación de pompas de jabón : la película se comprime hasta que la presión dentro de la burbuja no supera la atmosférica por el valor de la presión adicional de la tensión superficial de la película. La presión adicional en un punto de la superficie depende de la curvatura promedio en ese punto y viene dada por la fórmula de Laplace :

\Delta p=\sigma K=\sigma \left({1 \over R_{1}}+{1 \over R_{2}}\right).

Estos son los radios de las curvaturas principales en un punto. Tienen el mismo signo si los centros de curvatura correspondientes se encuentran en el mismo lado del plano tangente en el punto, y tienen un signo diferente si se encuentran en lados diferentes. Por ejemplo, para una esfera, los centros de curvatura en cualquier punto de la superficie coinciden con el centro de la esfera, entonces: $R_{1,2}$

R_{1}=R_{2}=R,

{\ estilo de visualización \ Delta p = {2 \ sigma \ sobre R}.}

Para el caso de la superficie de un cilindro circular de radio , tenemos: $R$

R_{1}=R,~~~R_{2}=\infty,

\Delta p={\sigma \over R}.

Dado que debe ser una función continua en la superficie de la película, por lo tanto, la elección del lado "positivo" de la película en un punto establece localmente de manera única el lado positivo de la superficie en puntos suficientemente cercanos. $\Delta p$

De la fórmula de Laplace se deduce que una película de jabón libre estirada sobre un marco de forma arbitraria y que no forma burbujas tendrá una curvatura media igual a 0.

Dependencia de la temperatura

A medida que aumenta la temperatura, la tensión superficial disminuye y es igual a cero en la temperatura crítica. La dependencia empírica más conocida de la tensión superficial con la temperatura fue propuesta por Lorand Eötvös , la llamada regla de Eötvös . En la actualidad se ha obtenido la conclusión de la dependencia teórica de la tensión superficial con la temperatura en la región hasta las temperaturas críticas, confirmando la regla de Eötvös [7] .

Maneras de determinar

Los métodos para determinar la tensión superficial se dividen en estáticos y dinámicos. En los métodos estáticos, la tensión superficial se determina en una superficie formada que está en equilibrio. Los métodos dinámicos están asociados con la destrucción de la capa superficial. En el caso de medir la tensión superficial de soluciones (especialmente polímeros o tensioactivos), se deben utilizar métodos estáticos. En algunos casos, el equilibrio en la superficie puede ocurrir en unas pocas horas (por ejemplo, en el caso de soluciones concentradas de polímeros con alta viscosidad). Se pueden aplicar métodos dinámicos para determinar la tensión superficial de equilibrio y la tensión superficial dinámica. Por ejemplo, para una solución de jabón después de mezclar, la tensión superficial es de 58 mJ / m² y después de sedimentar, 35 mJ / m². Es decir, la tensión superficial cambia. Hasta que se establezca un equilibrio, será dinámico.

Métodos estáticos:

Método para medir la altura del menisco en un capilar .
Método Wilhelmy .
El método de la gota sésil.
Método de determinación por la forma de una gota colgante.
Método de gota giratoria.

Métodos dinámicos:

Método Du Nouy (método de rasgado de anillos).
Método estalagmométrico o de conteo de gotas.
Método de máxima presión de burbuja.
Método de chorro oscilante.
Método de onda estacionaria.
Método de ondas viajeras.

Métodos

Los métodos de medición completamente estandarizados se describen en las normas ASTM , GOST , etc.

Método de gota giratoria

La esencia del método es medir el diámetro de una gota de líquido que gira en un líquido más pesado [8] . Este método de medición es adecuado para medir valores bajos o ultrabajos de tensión interfacial. Es ampliamente utilizado para microemulsiones, midiendo la efectividad de las sustancias tensioactivas (surfactantes) en la producción de petróleo y también para determinar las propiedades de adsorción .

Método de Du Nuy (método de rasgado de anillos)

El método es clásico. La esencia del método se deriva del nombre. Un anillo hecho de alambre de platino cuyo plano es paralelo a la superficie del líquido se levanta lentamente del líquido humedeciéndolo, la fuerza en el momento de la separación del anillo de la superficie es la fuerza de tensión superficial y se puede convertir en superficie. energía. El método es adecuado para medir la tensión superficial de tensioactivos, aceites de transformadores , etc.

Método de ondas capilares

Cuando un líquido es perturbado por una placa oscilante que se encuentra sobre su superficie, las ondas capilares se propagan a lo largo de la superficie del líquido . Si se ilumina una cubeta con un líquido con una fuente de luz pulsada (estroboscópica) con una frecuencia de destello igual a la frecuencia de oscilación de la placa de perturbación, se observará un patrón de onda visualmente estacionario. Según la longitud de onda medida, la tensión superficial se puede calcular utilizando la fórmula:

\sigma ={\frac {\rho \lambda ^{2}}{4\pi ^{2}}}(2\pi \nu ^{2}\lambda -g),

donde está la tensión superficial;

\sigma

\rho

es la densidad del líquido;

\lambda

es la longitud de onda;

\nu

es la frecuencia de oscilación de la placa;

gramo

- aceleración de la gravedad.

Tensión superficial de algunos líquidos en la interfase con el aire

Sustancia	Temperatura °C	Tensión superficial (10 −3 N/m)
Solución acuosa de cloruro de sodio 6 M	veinte	82.55
Cloruro de sodio	801	115
Glicerol	treinta	64.7
Estaño	400	518
Ácido nítrico 70%	veinte	59.4
Anilina	veinte	42,9
Acetona	veinte	23.7
Benceno	veinte	29,0
Agua	veinte	72.86
Glicerol	veinte	59.4
Aceite	veinte	26
Mercurio	veinte	486.5
Ácido sulfúrico 85%	veinte	57.4
Etanol	veinte	22.8
Ácido acético	veinte	27.8
Éter etílico	veinte	16.9
solución de jabón	veinte	43

Manifestaciones

Burbuja de jabón
Margarita
La foto muestra el efecto, llamado " lágrimas de vino ".
Gota de agua sobre una hoja
Granel en borde de charcos y asfalto seco
El agua corre sobre la superficie de asfalto seco

Véase también

Enlaces

[www.xumuk.ru/colloidchem/19.html Métodos para determinar la tensión superficial]
Video sobre la naturaleza física de la tensión superficial de un líquido como parte de la energía interna Copia de archivo del 20 de diciembre de 2020 en Wayback Machine (ruso)

Notas

↑ Summ B. D. Fundamentos de la química coloidal
↑ (Artículo: Journal of Physical Chemistry. 1983, No. 10, pp. 2528-2530) . Consultado el 16 de febrero de 2014. Archivado desde el original el 21 de febrero de 2014. (indefinido)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch. La naturaleza física de la tensión superficial de un líquido // Boletín de la Universidad de San Petersburgo. Serie 4 (Física, Química) 2011. Número 1. p.3-8. (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 16 de febrero de 2014. Archivado desde el original el 22 de febrero de 2014. (indefinido)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch., Mayorov E. E. Efecto de la temperatura en la tensión superficial // Boletín de la Universidad de San Petersburgo. Serie 4 (Física, Química). 2012. Número 1. págs. 24-28. (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 16 de febrero de 2014. Archivado desde el original el 22 de febrero de 2014. (indefinido)
↑ Weisskopf VF American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; VF Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618-619.
↑ Tenga en cuenta que una película, como la pared de una pompa de jabón, tiene dos lados, por lo que el área de la superficie del líquido es el doble del área de la película.
↑ Revista "Boletín de la Universidad de San Petersburgo", 2012, no. 1, pág. 24-28
↑ Tensiómetro SITE100 . Consultado el 19 de noviembre de 2008. Archivado desde el original el 3 de abril de 2009. (indefinido)