Tensión superficial: definición, causas, medición y fórmula

Tensión superficial

¿Alguna vez ha mirado una gota de agua en una hoja después de una lluvia? El agua forma hermosas gotas redondas. ¿O alguna vez ha visto a un caminante acuático caminar sobre la superficie del agua casi por arte de magia? Ambos son posibles debido a la tensión superficial del agua.

La tensión superficial es la fuerza de atracción en los líquidos que atrae las moléculas de la superficie hacia el resto del líquido, minimizando el área de la superficie. Estas fuerzas de atracción se deben a fuerzas electrostáticas. Normalmente nos referimos a esta cohesión en la superficie gas-líquido (no superficies líquido-sólido o líquido-líquido). A menudo vemos que esto ocurre con el agua, pero ocurre con todos los demás líquidos hasta cierto punto.

Las fuerzas electrostáticas son las fuerzas que atraen moléculas entre sí. Con el agua, el dipolo ligero hace que las moléculas se atraigan particularmente entre sí, lo que le permite formar una unidad cohesiva muy unida.

Cuando está en estado líquido, esta fuerza no hace mucha diferencia porque cada molécula es empujada en todas direcciones hacia otras moléculas. Pero en la superficie del líquido, las moléculas no se elevan en absoluto porque no hay moléculas allí para tirar de las otras. Hay una fuerte fuerza entre las moléculas que las empuja hacia abajo. Esto crea una fuerte barrera en la interfaz líquido-gas. Se necesita mucha más fuerza para atravesar la superficie de un líquido que para atravesar el líquido.

Entonces, las gotas de agua se forman porque las moléculas de agua están tratando de interactuar entre sí. Si el agua forma una superficie plana, hay más moléculas que necesitan interactuar con el aire en lugar de entre sí. Una vez que forma una gota, más moléculas de agua pueden interactuar entre sí en el interior. Esto une las moléculas para que la superficie exterior tenga una fuerte tensión superficial que mantiene la gota en su lugar.

Medición de la tensión superficial

La fórmula general para medir la tensión superficial es: gamma es igual a la fuerza dividida por la longitud.

Gamma representa la tensión superficial, F representa la fuerza y d representa la longitud a lo largo de la cual se siente la fuerza. Las unidades de tensión superficial son Newtons por metro (N / m) o dinas por centímetro (dinas / cm).

Una cosa a tener en cuenta es que a medida que aumenta la temperatura, la tensión superficial del agua disminuye. Esta es la razón por la que el agua caliente es mucho mejor para limpiar la ropa que el agua fría. La tensión superficial más baja del agua caliente le permite interactuar con el suelo de la ropa más que el agua fría. Como se dijo anteriormente, la alta tensión superficial del agua se debe a los dipolos que se encuentran en las moléculas de agua. Esta interacción dipolar disminuye a medida que aumenta la temperatura porque las moléculas se mueven más rápido.

Ejemplos

Entonces, veamos el agua. Si sabemos que la tensión superficial del agua a 25 grados Celsius es 72 mN / m, ¿cuánta fuerza puede soportar un área de 5 cm de la superficie antes de romperse? Cuando reorganizamos la ecuación de tensión superficial, vemos que la fuerza es igual a la longitud gamma *. 5 cm es igual a 0,05 m.

F = 72 mN / m * 0,05 m

F = 3,6 mN

Si la única aceleración es la gravedad (9.8 m / s 2 ), podemos determinar qué masa puede contener esta área de agua de 5 cm antes de que se rompa la tensión superficial.

Conversión de mN a N: 3,6 mN = 0,0036 N.

La fuerza es igual a la masa por la aceleración (F = m * a). Los Newtons equivalen a kg * m / s 2 . Entonces, la masa es igual a la Fuerza dividida por la aceleración:

m = F / a

m = 0,0036 N / 9,8 m / s 2 = 0,0036 kg * m / s 2 / 9,8 m / s 2 = 0,0004 kg

Cinco cm de agua pueden soportar 0,0004 kg de peso sin que se rompa la tensión superficial.

Veamos ahora qué longitud necesitaríamos para sostener el peso de una persona típica en el agua. Usemos un hombre de 90 kg, a la aceleración de la gravedad. Primero, necesitamos determinar la fuerza que esto ejercería bajo la aceleración de la gravedad:

F = m * a

F = 90 kg * 9,8 m / s 2 = 882 N

Entonces podemos usar esta fuerza en la ecuación de tensión superficial. Cuando reorganizamos la ecuación, vemos que la distancia es igual a la fuerza dividida por la tensión superficial.

d = 882 N / 0,072 N / m = 12.250 m.

¡Esto es más de 7.5 millas!

Entonces, ¿cómo podemos flotar en el agua? ¿Cómo conseguimos que un barco flote? En ambos casos, todo el peso no se concentra en un punto del agua. Es por eso que puedes flotar en el agua acostado pero no acurrucado. Acostado, distribuye su peso sobre más área, pero acurrucado el peso se centra más en un punto.

Resumen de la lección

La tensión superficial es la cohesión entre moléculas en la superficie del líquido que hace que tenga una superficie fuerte. Se mide en N / mo dyn / cm. La fórmula de la tensión superficial es:

El agua tiene una de las tensiones superficiales más fuertes que se conocen debido a sus dipolos. Esto es también lo que hace que la tensión superficial del agua disminuya a medida que aumenta la temperatura.