Clase de Teoría Tensión superficial_MIM

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Tensión superficial 
Dra. María Isabel Micheletti 
• La tensión superficial es una propiedad físico-
química según la cual los líquidos forman en su 
superficie una membrana elástica capaz de soportar 
objetos de mayor densidad que el líquido. 
• Esto significa que existe una fuerza neta hacia arriba 
debida a dicha tensión superficial que, sumada al 
empuje, equilibra el peso del objeto. 
• Esa fuerza se ejerce a lo largo de todo el perímetro 
de contacto entre el objeto y el líquido. 
• De este modo, la fuerza de tensión superficial 
puede escribirse como Fɣ = ɣ L cosθ 
• ɣ es el coeficiente de tensión superficial y es una 
propiedad del líquido, dependiendo también del 
medio que lo rodea y de la temperatura. 
Las fuerzas de tensión superficial actúan a lo largo de todo el 
contorno que separa al objeto del líquido circundante que 
actúa como una membrana elástica que sostiene al objeto. 
La fuerza de tensión resultante de esas fuerzas locales es la 
suma de las mismas a lo largo del perímetro de separación 
cuerpo-objeto y apunta verticalmente hacia arriba (ya que 
las componentes horizontales se anulan). 
Fɣ = ɣ L cosφ 
donde φ (o θ) es el ángulo entre las fuerzas de tensión 
superficial y la dirección vertical) 
 
Ejemplo de fuerza de tensión superficial y 
analogía con equilibrista sobre cuerda elástica 
Aguja flotando en agua 
La fuerza de tensión superficial actúa a lo 
largo de la longitud de la aguja, a ambos 
lados de la interfase entre ésta y el agua. 
Por ello, la longitud de contacto es L= 2 l 
donde l es la longitud de la aguja 
Fs = ɣ 2 l cosθ1 
Si se logra vencer la tensión superficial, es 
decir, romper la membrana de agua, la 
aguja se hunde ya que el empuje es mucho 
menor que su peso debido a la alta 
densidad del hierro de la aguja. 
Ejemplos del efecto de la tensión superficial en la naturaleza 
¿Por qué ocurre el fenómeno de Tensión Superficial? 
• Las fuerzas entre las moléculas en el medio de un 
líquido difieren de las fuerzas entre las moléculas en la 
capa superficial del líquido. 
• Debido a su carácter dipolar, las moléculas de agua se 
atraen entre sí y forman enlaces de hidrógeno. Las 
moléculas de agua se mantienen juntas gracias a estas 
fuerzas de cohesión intermoleculares. 
• Las moléculas del interior del líquido son cohesionadas 
por las moléculas que las rodean, mientras que las de la 
capa superficial sólo son cohesionadas por las 
moléculas de la superficie y las que están por debajo, 
ya que por encima no hay moléculas de líquido (y la 
atracción líquido-aire es más débil). 
• Esto hace que las moléculas de la capa superficial estén 
más unidas entre sí ya que las fuerzas de cohesión dan 
una fuerza neta hacia el interior del líquido. En cambio, 
en las moléculas del interior del líquido, las fuerzas de 
cohesión que apuntan hacia abajo se equilibran con las 
que apuntan hacia arriba (debidas a las moléculas 
situadas por encima). 
• Esta fuerza neta que apunta hacia el interior del líquido 
hace que éste se encoja tanto como sea posible y se 
tense. 
• Si se desea mover una molécula desde el interior hasta 
la superficie, hay que vencer dicha fuerza mediante un 
Wext. Por ello, una molécula en la superficie tiene una 
energía mayor que una en el seno del líquido. 
La atracción líquido-aire es más débil que la atracción líquido-líquido, 
por lo que las moléculas en la capa superficial del líquido tendrán una 
fuerza neta hacia el interior del líquido que hace que las capas de 
moléculas estén más juntas en la zona cercana a la superficie. 
• Como todo sistema mecánico tiende a adoptar 
espontáneamente el estado de menor energía 
potencial, los líquidos tienden a presentar al exterior la 
menor superficie posible. De este modo, se forman las 
gotas esféricas. 
• Si una molécula de líquido se encuentra más cercana a 
la superficie, la fuerza resultante hacia abajo debido a 
la asimetría en la distribución de moléculas de líquido 
por encima y por debajo de la molécula en cuestión, 
será mayor. 
 
En rojo se representa una molécula y en azul las que 
están dentro del radio de acción de las interacciones 
intermoleculares, en 3 situaciones: A) en el seno del 
líquido, rodeada por otras moléculas de manera 
homogénea (la fuerza resultante de las fuerzas atractivas 
sobre la molécula es nula); B) cercana a la superficie del 
líquido, prevalece una fuerza neta hacia el interior del 
líquido; C) en la superficie del líquido, la fuerza neta 
hacia el interior es la mayor posible para esas moléculas. 
• Al apoyar un cuerpo sobre la superficie del agua que 
está tensada como una membrana elástica, el cuerpo 
ejerce una fuerza sobre esta membrana y ésta ejerce 
una reacción sobre el cuerpo, que es la fuerza que esta 
membrana hace tendiente a restablecer su posición de 
equilibrio. El cuerpo experimenta así la Fuerza de 
Tensión Superficial. 
• La tensión superficial depende del líquido (de las 
fuerzas de atracción-cohesión propias de sus 
moléculas). 
• La tensión superficial depende de la temperatura. En 
general la tensión superficial disminuye cuando la 
temperatura aumenta, dado que las fuerzas de 
cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. 
• La tensión superficial depende del medio en contacto 
con la superficie del líquido o medio exterior, ya que las 
moléculas de éste ejercen acciones atractivas sobre las 
moléculas situadas en la superficie del líquido, 
contrarrestando las acciones de las moléculas del 
líquido. 
Valores de tensión superficial de distintos líquidos a 20°C 
y del agua a distintas temperaturas 
Fuerzas de cohesión y de adhesión 
• Cohesión: atracción entre las moléculas del mismo tipo. 
• Ejemplo: atracción entre moléculas de agua, mediante la 
formación de puentes de hidrógeno entre ellas. Cuando se 
llena un vaso con agua hasta el tope y se agrega 
lentamente unas gotas más de agua, se observa una comba 
en la parte superior antes de desbordar, debido a la 
atracción entre las moléculas del agua. 
• Adhesión: atracción de moléculas de un tipo por moléculas 
de otro tipo. 
• Ejemplo: atracción entre moléculas de un líquido y el 
recipiente que lo contiene. El fenómeno de capilaridad se 
debe a estas fuerzas de adhesión que hacen subir el líquido 
a través de un tubo delgado, debido a las fuerzas de 
adhesión entre el líquido y las paredes del tubo. 
Fuerzas de Cohesión 
Vaso de agua y cohesión 
entre moléculas del agua Al llenar por completo el recipiente y 
agregar unas gotas más de agua, se 
forma una superficie comba debido a 
que las moléculas del fluido atraen a 
esas moléculas de agua añadida. 
Las fuerzas de cohesión entre las 
moléculas de un líquido, son las 
responsables de que un líquido 
forme gotas y permanezca de ese 
modo, sin derramarse. 
Fuerzas de adhesión 
Las fuerzas de adhesión 
entre el líquido y la 
superficie son las 
responsables de la 
formación de meniscos y 
del fenómeno de 
capilaridad. 
Relación fuerzas de cohesión-adhesión 
• La relación entre las fuerzas de cohesión y las de 
adhesión determina la forma del menisco. 
• Éste resulta cóncavo cuando las fuerzas de adhesión 
entre las moléculas del líquido y las paredes del 
recipiente que lo contiene son mayores que las 
fuerzas de cohesión del líquido. Ejemplo: agua-
vidrio. 
• El menisco resulta convexo cuando las fuerzas de 
cohesión entre las moléculas del líquido son 
mayores que las de adhesión entre el líquido y el 
recipiente. Ejemplo: mercurio-vidrio. 
Interfase 
líquido-material 
Ángulo de contacto 
Líquidos que «mojan» y que «no mojan» 
• El ángulo de contacto es una medida cuantitativa de la 
interacción líquido-sólido y viene determinado por la 
resultante entre las fuerzas de cohesión de las 
moléculas del líquido y las fuerzas de adhesión entre 
éstas y la superficie del sólido en contacto, que da lugar 
a la formación de un menisco. 
• Es el ángulo entre la superficie sólida y la tangente a la 
superficie líquidaen el punto de contacto. 
• Cuando predominan las fuerzas de adhesión, θ < 90°. El 
líquido «moja» la superficie. Meniscos cóncavos. 
• Cuando predominan las fuerzas de cohesión, θ > 90°. El 
líquido «no moja» la superficie. Meniscos convexos. 
El ángulo de contacto es el ángulo formado entre la 
interfaz sólido-líquido y la interfaz líquido-vapor, cuyo 
vértice se ubica donde las tres interfases se encuentran. 
Los ángulos de contacto pueden medirse con un instrumento llamado goniómetro. 
Ángulo de contacto entre el agua y 
distintas superficies 
Ángulo de contacto entre un líquido y 
el recipiente y formación del menisco 
Cuando el ángulo de contacto es 0, el líquido moja completamente a la superficie sólida. 
Que un líquido en contacto con una superficie sólida moje o no dicha 
superficie, depende del líquido (de cuán fuertes son las fuerzas de 
cohesión entre sus moléculas) pero también depende de la superficie 
sólida (cuán fuertes son las fuerzas de adhesión entre el líquido y dicha 
superficie). También incide la interacción con la fase gaseosa (usualmente 
aire) en la fuerza resultante. 
En el caso del mercurio, las fuerzas de cohesión entre las moléculas es tan 
grande, que tiende a formar gotas esféricas que no mojan la superficie. 
Capilaridad 
• Es el fenómeno por el cual los líquidos alcanzan 
dentro de tubos de radios muy pequeños, niveles 
diferentes a los que alcanzan fuera de ellos. 
• Si predominan las fuerzas de adhesión entre el 
líquido y la superficie del capilar, el líquido asciende 
en el interior del capilar debido a dichas fuerzas. En 
este caso el líquido «moja» el capilar. Ej.: agua-
capilar de vidrio. 
• Si predominan las fuerzas de cohesión entre las 
moléculas del líquido, el líquido desciende en el 
capilar. El líquido «no moja» el capilar. Ej.: mercurio-
capilar de vidrio. 
Cuanto menor sea el radio del capilar, más predominarán las fuerzas 
de adhesión de las moléculas del líquido contiguas al tubo respecto 
de las fuerzas de cohesión entre moléculas del líquido, ya que habrá 
menos moléculas de líquido dentro del tubo capilar. Por ello, el 
líquido ascenderá más en capilares más delgados. 
• Para el agua, la altura h de ascenso por el capilar es 
positiva, porque cosθ > 0. El agua se eleva por el 
capilar. 
• Para el mercurio, la altura h de ascenso por el 
capilar es negativa, porque cosθ < 0. El mercurio 
desciende por el capilar. 
 
 
Tensoactivo, Tensioactivo o Surfactante 
• Es un elemento que actúa como detergente, 
emulsionante o humectante y que permite reducir la 
tensión superficial que existe en un fluido. Se usan, por 
ej., para el lavado, reduciendo la tensión superficial del 
agua, para evitar que sus moléculas se cohesionen 
entre sí, facilitando de este modo que interactúen con 
el aceite y la grasa. 
• Es una sustancia que influye, por medio de la 
modificación de la tensión superficial, en la superficie 
de contacto entre dos fases. 
• Surfactante pulmonar: líquido producido por el 
organismo (consistente en un complejo de lípidos y 
proteínas) que reduce la tensión en los alvéolos 
pulmonares, evitando que éstos colapsen durante la 
respiración. Su función es facilitar el intercambio de los 
gases respiratorios en los pulmones. 
 
Surfactante pulmonar 
Balanza de Jolly 
Método experimental del arranque del anillo 
Alambre con película de agua jabonosa 
• Fɣ = ɣ L cosθ 
en este caso θ = 0 y L = 2h ya que la 
tensión superficial actúa a ambos 
lados del alambre como se ve en la 
vista lateral (b) 
• ɣ = Fɣ / 2h 
Para estirar la película jabonosa moviendo el alambre móvil vertical una 
distancia Δs, hay que realizar trabajo externo, es decir, entregar energía 
al sistema (Fext = Fɣ para que se mueva a velocidad constante). 
ΔW = Fɣ Δs = ɣ h Δs = ɣ ΔA 
donde ΔA es la variación en el área que ocupa la película jabonosa al 
mover el alambre una distancia Δs 
ɣ = ΔW/ΔA ; En el límite: ɣ = dW/dA 
Por lo que la tensión superficial de un líquido es la cantidad de energía 
para aumentar su superficie por unidad de área. 
En la naturaleza, los sistemas tienden a minimizar su energía potencial, 
por lo que la tensión superficial tenderá a minimizar el área de éstos. 
 
Gotas, burbujas y pompas 
Pompa: dos membranas o interfases: 
gas (interior) – líquido (en el medio) – gas (exterior) 
Ej.: pompa de jabón (solución jabonosa en el medio, con 2 
interfases aire-líquido) 
Gota: una membrana o interfase: 
líquido (interior) – gas (exterior) 
Ej.: gota de agua emitida por un gotero 
 
Burbuja: una membrana o interfase: 
gas (interior) – líquido (exterior) 
Ej.: burbuja de gas en una bebida 
gaseosa 
 
Ley de Young-Laplace 
Ley de Tate 
• Todas las gotas producidas por un mismo gotero son 
iguales para el mismo líquido, como consecuencia del 
equilibrio entre el peso de las gotas y la fuerza de 
tensión superficial. 
• La gota se desprende en el instante en que su peso es 
igual a la fuerza de tensión superficial: mgotag = Fɣ = 2πrɣ 
 donde r es el radio del gotero 
• Si m1 es la masa total para n gotas del líquido 1 y m2 es la 
masa total para n gotas del líquido 2: