Tensión superficial

En física, se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.^[1]​ Esta definición implica que el líquido presenta una resistencia al aumentar su superficie, lo que en efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), poder desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.

Ejemplo de tensión superficial: una aguja de acero sobre un líquido.

Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial.

Causa

 

Diagrama de fuerzas entre dos moléculas de un líquido.

 

Este clip está debajo del nivel del agua, que ha aumentado ligeramente. La tensión superficial evita que el clip se sumerja y que el vaso rebose.

La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas.

Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie.^[2]​

Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tienen 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 número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.

Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.

Propiedades

 

La tensión superficial puede afectar a objetos de mayor tamaño impidiendo, por ejemplo, el hundimiento de una flor.

La tensión superficial suele representarse mediante la letra griega ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  (gamma), o mediante ${\displaystyle \scriptstyle \sigma }$  (sigma). Sus unidades son de N·m⁻¹, J·m⁻², kg·s⁻² o dyn·cm⁻¹ (véase análisis dimensional).

Algunas propiedades de ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ :

• ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  > 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del sistema y ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  es

o la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie.

• ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-superficie).
• ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  se puede interpretar como una fuerza por unidad de longitud (se mide en N·m⁻¹). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón desde el hexano hacia el agua.
• El valor de ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  de cada líquido crece del hexano al mercurio.
• Para un líquido dado, el valor de ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica T_c del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos, desapareciendo las dos fases. Al haber solamente una fase, la tensión superficial vale 0.

Medida de la tensión superficial

 

Tensiómetro portátil de presión de burbuja para la medición de la tensión superficial.

Métodos estáticos: la superficie se mantiene con el tiempo

1. Método del anillo de du Noüy: Calcula la F necesaria para separar de la superficie del líquido un anillo. F=${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ 4πR (siendo R el promedio del radio externo e interno del anillo).

2. Método del platillo de Wilhelmy: Medida de la F para separar la superficie de una delgada placa de vidrio. Precisión de 0,1 %.

Métodos dinámicos: la superficie se forma o renueva continuamente

Tensiómetro (): En un líquido a T constante se introduce un capilar de radio R conectado a un manómetro. Al introducir gas se va formando una burbuja de radio r a medida que aumenta la P en el manómetro. Al crecer r disminuye hasta un mínimo, r=R y después vuelve a aumentar. Esto hace posible su uso en ambos, laboratorios de investigación y desarrollo, así como monitoreo del proceso directamente en la planta.

 

Método de presión de burbuja para la medición de la tensión superficial dinámica.

También se puede medir con un estalagmómetro.

Ecuaciones

Ecuaciones empíricas que se ajustan a las medidas de ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$  a distintas T.

Ecuación de Eötvös: ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ = k/Vm^2/3 (Tc-T) k= 2.1 erg/K

Ecuación de Van der Waals: ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ =${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ 0(1-T/Tc)ⁿ; n=11/9 (liq)=8 (H2O)=1 (metales líquidos)

Para un líquido en equilibrio con su vapor dG= -SdT+VdP+${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ dA suponiendo el sistema cerrado con dn=0. Según la condición de equilibrio termodinámico se cumple que: ${\displaystyle \scriptstyle \gamma }$ = (dG/dA)>0. De esta ecuación sacamos que la energía libre de Gibbs disminuye al disminuir el área superficial de un sistema, tratándose este proceso de un proceso espontáneo.

Valores para diferentes materiales

Tabla de tensiones superficiales de líquidos a 20 °C:

Material	Tensión Superficial ${\displaystyle \scriptstyle \sigma }$  ( 10^-3 N/m o dina/cm)
Acetona	23,70
Benceno	28,85
Tetracloruro de Carbono	26,95
Acetato de etilo	23,9
Alcohol etílico	22,75
Éter etílico	17,01
Hexano	18,43
Metanol	22,61
Tolueno	28,5
Agua	72,75

Véase también

• Capilaridad
• Energía superficial
• Ángulo de contacto
• Tensoactivo

Referencias

1. . Archivado desde el original el 29 de diciembre de 2009. Consultado el 17 de julio de 2009. 
2. White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 0442294018. 

Bibliografía

• Castellan, Gilbert W., Fisicoquímica, Ed. Pearson, pág. 433, tema 18, Fenómenos superficiales.

Enlaces externos

•   Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Tensión superficial.

•   Datos: Q170749
•   Multimedia: Surface tension