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Energía superficial: definición y medición

Publicado el 14 noviembre, 2022

¿Qué es la energía superficial?

Una medida del exceso de energía atómica que se encuentra en la superficie de un material se conoce como energía superficial. Los líquidos tendrán menor energía superficial que los sólidos; un líquido se esparcirá mientras que los sólidos se mantienen unidos por enlaces más fuertes. Una superficie de un líquido o sólido intentará minimizar esta energía. El vidrio, la cerámica y los metales tienen una mayor energía superficial. La energía superficial también se puede representar como el trabajo realizado por unidad de área por la fuerza de una superficie. De acuerdo con esta definición, la unidad SI de energía superficial se puede escribir como N/m.

Las dimensiones de la energía superficial son:

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Donde M es la masa, L es la longitud y T es el tiempo.

Medición de energía superficial

La energía superficial se mide utilizando los experimentos de ángulo de contacto. El ángulo de contacto de las superficies se mide utilizando varios líquidos, como agua y diyodometano. Hay tres superficies involucradas en una interacción entre un sólido y un líquido: interfaces sólido-líquido, líquido-vapor y sólido-vapor. Cada una de estas interfaces tiene asociada una tensión superficial, la tensión superficial representa la energía requerida para crear una unidad de área de la superficie. La relación de las tensiones superficiales de las tres interfaces con el ángulo de contacto de Young se puede utilizar para medir la energía superficial. La ecuación de Young se puede representar como:

nulo
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La ecuación de Young se puede utilizar para definir una relación entre la tensión superficial, la energía superficial y las interfaces entre sólidos y líquidos.

Fuerzas intermoleculares en acción

Las fuerzas intermoleculares mantienen unido un líquido y las interacciones del líquido están asociadas con tres propiedades únicas: tensión superficial, viscosidad y acción capilar.

Tensión superficial

La tensión superficial y la energía superficial son similares, ya que ambas son cuantificables y nos muestran cuán fuerte es la atracción entre las moléculas. La tensión superficial es la fuerza de atracción de las moléculas entre sí presente en la superficie de un líquido. Mirando un ejemplo de tinta en una hoja de papel, la tinta tenderá a extenderse y adherirse al papel debido a la presencia de tensión superficial entre la tinta y el papel, las fuerzas de atracción de la tinta en la superficie del papel están tirando sobre las moléculas en la superficie de la tinta. La tensión superficial se debe al magnetismo de las cargas diferentes alrededor de las moléculas y es el movimiento de la superficie del fluido para disminuir a la menor área superficial posible. Además, las moléculas líquidas dentro de una gota de agua se aferrarán a su entorno.


La tensión superficial es responsable de la forma de la gota de líquido en una hoja
tensión superficial

Viscosidad

La resistencia de un líquido a fluir se conoce como viscosidad. Algunos líquidos tienen una viscosidad más baja que otros. Los líquidos con fuerzas intermoleculares más fuertes, como el aceite de motor o el jarabe para la tos, tienen viscosidades más altas. Los líquidos como el agua y el etanol tienen viscosidades más bajas. La técnica más común para evaluar la viscosidad de un líquido es estimar el tiempo que tarda un líquido en fluir a través de un tubo estrecho. El líquido fluirá lentamente para líquidos con viscosidades más altas. La unidad SI de viscosidad es el Pascal-segundo (Pa.s), y el Poise (P) es la unidad centímetro-gramo-segundo (CGS) igual a 0.1 Pa.s. La viscosidad debe ser lo más baja posible si se necesita transportar un gran volumen de petróleo a través de un oleoducto en menos tiempo.

Acción capilar

El líquido que fluye en un espacio restringido sin ayuda o en resistencia a la gravedad se denomina acción capilar. Las tres propiedades principales que determinan si el líquido tiene acción capilar son la tensión superficial, la cohesión y la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre moléculas similares, mientras que la adhesión es la fuerza de atracción entre moléculas diferentes. Cuando las fuerzas adhesivas de un líquido son más fuertes que las fuerzas cohesivas, se producirá una acción capilar. En otras palabras, la acción capilar tiene lugar en combinación con la cohesión y la adhesión.


Diagrama que ilustra la acción capilar
acción capilar

Ecuación de Bernoulli

El principio de Bernoulli declara que las áreas de mayor presión tendrán velocidades de fluido más bajas y las áreas de menor presión tendrán velocidades de fluido más altas. Una forma más convencional y matemática de este principio es la ecuación de Bernoulli:

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La ecuación de Bernoulli es una correlación entre la energía cinética, la energía potencial gravitacional y la presión estática, y se basa en el principio de conservación de la energía de un fluido en movimiento. La suma de estas energías permanecerá constante en un flujo constante de fluido. La ecuación también enfatiza que si la velocidad (V) del fluido es mayor, la presión (P) debe ser menor en la misma área.

Resumen de la lección

La energía superficial es el exceso de energía de las moléculas presentes en la superficie de un material. También se puede describir en relación con el trabajo realizado, donde el trabajo por unidad de área por la fuerza de una superficie. Según esta definición, la unidad SI de energía superficial es N/m. La energía superficial se mide utilizando los experimentos de ángulo de contacto. El ángulo de contacto de las superficies se mide usando varios líquidos y se puede usar la relación de las tensiones superficiales de la interfaz con el ángulo de contacto de Young para medir la energía superficial. La tensión superficial es la fuerza de atracción de las moléculas entre sí presente en la superficie de un líquido.

Las fuerzas intermoleculares mantienen unido un líquido y las tres propiedades asociadas son la tensión superficial, la viscosidad y la acción capilar. La resistencia de un líquido a fluir se conoce como viscosidad, mientras que el líquido que fluye en un espacio restringido sin ayuda o con resistencia a la gravedad se denomina acción capilar. Una gota de líquido adquiere su forma debido a la tensión superficial, mientras que se requiere una baja viscosidad para transportar un gran volumen de fluido de mayor viscosidad. El principio de Bernoulli declara que las áreas de mayor presión tendrán velocidades de fluido más bajas y las áreas de menor presión tendrán velocidades de fluido más altas.

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