Libro_ Tensión Superficial

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Libro: Tensión Superficial
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Sitio: Campus Virtual FFyB
Curso: Física 2020 2°cuatrimestre
Libro: Libro: Tensión Superficial
Imprimido por: Andrea Arzamendia Centurion
Día: Monday, 30 de November de 2020, 11:58
http://virtual.ffyb.uba.ar/
Tabla de contenidos
1 Introducción
2 ¿Qué es la Tensión superficial?
3 Fenómenos de Tensión Superficial
3.1 Naturaleza de la Tensión Superficial
3.2 Deformación de la superficie
3.3 Tensioactivos
3.4 Ley de Laplace
3.5 Capilaridad - Ley de Jurin
3.6 Ejemplos de aplicación
4 Tensiometría
5 Repaso y Revisión
6 Bibliografía
1 Introducción
A lo largo de este libro analizaremos un fenómeno que caracteriza a las interfases líquido-
gas, la tensión superficial. Analizaremos el origen de la tensión superficial y definiremos
a la fuerza de tensión superficial y al coeficiente de tensión superficial, discutiendo los
parámetros de los cuales dependen. Estudiaremos qué son los tensioactivos y cuál es su
relevancia fisiológica y profesional. A su vez, analizaremos la Ley de Laplace, que
relaciona la curvatura de una interfase con la diferencia de presión y el coeficiente de
tensión superficial en dicha interfase. Y finalmente, estudiaremos el fenómeno de
capilaridad e interpretaremos la Ley de Jurin, que permite predecir la altura del ascenso o
descenso capilar de un sistema. 
¡Empecemos!
2 ¿Qué es la Tensión superficial?
Los fenómenos de tensión superficial son aquellos en los que una interfase presenta una
resistencia a ser deformada aumentando su superficie.  En Física se denomina Tensión
Superficial  de una interfase a la cantidad de  energía  necesaria para aumentar su
superficie por unidad de área. Sin embargo es frecuente analizar este fenómeno desde el
punto de vista de la fuerza involucrada en este trabajo. Por eso otra definición posible -y
compatible con la anterior- es que la tensión superficial es la fuerza tangencial por unidad
de longitud que actúa en el perímetro de la superficie que tiende a evitar ser deformada.
Capilaridad, adsorción, formación de emulsiones, humectación de superficies,
impermeabilización de superficies, son algunos de los fenómenos de interfase en los que
interviene la tensión superficial. Todos esos fenómenos son de gran relevancia en las
carreras que se dictan en FFYB. En esta cursada veremos la base física de la tensión
superficial, para comprender a qué se debe y cómo puede medirse. En otras asignaturas
verán otros aspectos de este fenómeno, desde el punto de vista energético, para entender
cómo ocurre la formación de micelas y cómo impacta esto a nivel de membranas
biológicas y en procesos fisiológicos o fisiopatológicos pulmonares. Verán también que
los efectos de la tensión superficial deben ser comprendidos y evaluados adecuadamente
para la correcta preparación de formulaciones farmacéuticas o alimenticias. 
En la siguiente imagen se muestran algunos de estos fenómenos en los que actúa la
tensión superficial. A lo largo de este libro iremos analizando cada uno de ellos:
 
 
 
3 Fenómenos de Tensión Superficial
En este Capítulo estudiaremos en detalle los fenómenos de Tensión Superficial.
Definiremos Fuerza de Tensión Superficial y Coeficiente de Tensión Superficial,
analizaremos qué sucede en una interfase líquido-gas cuando se la deforma (evaluando
las fuerzas involucradas) y estudiaremos qué impacto tienen los tensioactivos en la
tensión superficial. A su vez, interpretaremos sistemas con interfases curvas debidas a
diferencias de presiones y discutiremos la Ley de Laplace. Finalmente, definiremos
ángulo de contacto y estudiaremos los fenómenos de ascenso y descenso capilar,
analizando conceptualmente la Ley de Jurin.
La meta final de este Capítulo consiste en que puedan explicar las observaciones
registradas en  experiencias mostrativas  que ilustran distintos fenómenos de tensión
superficial. Cada experiencia mostrativa cuenta con preguntas orientadoras que actúan
como disparadores del análisis y permitirán integrar los contenidos conceptuales teóricos
previamente abordados. 
3.1 Naturaleza de la Tensión Superficial
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Para empezar, discutiremos cuál es el origen del fenómeno de tensión superficial. ¿Qué
rol tienen las fuerzas intermoleculares? ¿Por qué se trata de un fenómeno de interfase?
¿Qué características tiene la fuerza de tensión superficial? ¿Cómo se define al coeficiente
de tensión superficial? Abordaremos estas preguntas en el siguiente video: 
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Ampliemos el análisis evaluando ahora un sistema experimental simple, que introduce el
concepto de superficie mínima. 
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Tensión Super�cial - Fuerza de Tensión Super�cialTensión Super�cial - Fuerza de Tensión Super�cial
Tensión Super�cial - Super�cie MínimaTensión Super�cial - Super�cie Mínima
https://www.youtube.com/watch?v=raGjzBO8oxc
https://www.youtube.com/watch?v=IdmYIGU3Ay4
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La siguiente mostrativa pone de manifiesto el efecto de la tensión superficial al reducir la
superficie libre expuesta de una interfase líquido-gas.
 
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1. ¿Qué se observa al romper la lámina que se formó entre los hilos?
2. ¿Por qué se retrae la película jabonosa?
 
Super�cie mínimaSuper�cie mínima
https://www.youtube.com/watch?v=wN5-OyfiT00
3.2 Deformación de la superficie
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En este subcapítulo pondremos de manifiesto el efecto de la tensión superficial al
oponerse a la deformación de una interfase líquido-gas. Anteriormente se introdujo a la
Fuerza de Tensión Superficial y se discutió de qué parámetros depende. Ahora vamos a
analizar distintas situaciones que involucran un cuerpo apoyado sobre la superficie libre
de un líquido. ¿Qué fuerzas participan en este análisis? Si modificamos al sistema, por
ejemplo, alterando el coeficiente de tensión superficial de la interfase (¡más adelante
veremos cómo!) o bien reduciendo el perímetro del cuerpo apoyado en la superficie... ¿se
modifica la fuerza de tensión superficial? En el siguiente video vamos a sentar las bases
conceptuales para poder hacer este análisis:
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Las siguientes mostrativas presentan como situación inicial de análisis a una chinche o
una planchuela apoyada sobre una interfase agua-aire. En las siguientes mostrativas se
introducen cambios en el sistema, ya sea reduciendo el coeficiente de tensión superficial
por agregado de alcohol, aumentando el peso de la planchuela colocándole pesitas o bien
modificando el perímetro de exposición a la interfase. Miren los siguientes videos,
registren las observaciones y analicen las preguntas orientadoras. ¿Se animan a hacer
representar el análisis de fuerzas involucrado en cada caso?
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#1.
Tensión Super�cial - Super�cie Libre de LíquidoTensión Super�cial - Super�cie Libre de Líquido
https://www.youtube.com/watch?v=_zwy-aw6aWI
..
1. ¿Qué ocurre al colocar la chinche sobre la superficie del agua?
2. ¿Qué se puede observar en la superficie del agua alrededor de la chinche?
3. ¿Por qué no se hunde la chinche? 
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#2.
..
El alcohol es un agente tensioactivo que disminuye el coeficiente de tensión
superficial. Más adelante profundizaremos el estudio de los agentes
tensioactivos. En este momento sólo nos interesa evaluar el efecto de reducir el
coeficiente de tensión superficial en la deformación de la interfase y el
equilibrio de fuerzas interviniente. 
1. ¿Qué ocurre al agregar la primera gota de alcohol?
2. Analicen las fuerzas intervinientes, comparando la situación anterior y posterior al
agregado de la gota. 
3. ¿Qué sucede cuando se agregan más gotas de alcohol?
4. ¿Por qué finalmente se hunde la chinche? 
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#3.
Deformación de la super�cieDeformación de la super�cie
Deformación de la super�cie IIDeformación de la super�cie II
https://www.youtube.com/watch?v=v3Mm20ETRrc
https://www.youtube.com/watch?v=Z_05aonIcg8
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1. ¿Qué sucede cuando se apoya la planchuela sobre la superficie del líquido?
2. ¿Qué observan al agregar una pesa sobre la planchuela? ¿Y si se agrega una segunda
pesa? ¿Por qué se hunde la planchuela al agregar una tercera pesa?
 .
#4.
..
1. Se dispone de una segunda planchuela de igual material,peso, área y espesor pero
diferente perímetro.
2. ¿Qué sucede cuando se apoyan ambas planchuelas sobre la superficie del líquido?
3. ¿Qué sucede si se agrega una pesa de 500 mg sobre las planchuelas? 
4. ¿Y si se agrega una segunda pesa de 500 mg?
 
Deformación de la super�cie IIIDeformación de la super�cie III
Deformación de la super�cie IVDeformación de la super�cie IV
https://www.youtube.com/watch?v=niy1QBcOCdI
https://www.youtube.com/watch?v=L7BSySibGMU
3.3 Tensioactivos
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Los tensioactivos son sustancias que al agregarse en un determinado líquido inciden
sobre la tensión superficial del mismo, modificando el coeficiente de tensión superficial.
Este efecto puede producir que:
Aumente el γ (ej. Sales disueltas)
Disminuya el γ (ej. Surfactantes)
En el siguiente gráfico se presenta una clasificación de sustancias en función de su
efecto sobre el coeficiente de tensión superficial:
Tipo I: Sales iónicas en agua. Estas tienden a
solvatarse fuertemente, lo cual es equivalente a
aumentar el grado de asociación del agua.
Tipo II: Si el solvente no solvata fuertemente un
soluto se produce una disminución de las
interacciones intermoleculares del líquido.
Tipo III: Algunas sustancias, en bajas
concentraciones, disminuyen bruscamente la
tensión superficial. Se conocen como
surfactantes.
 
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¿Qué son los surfactantes?
Son sustancias que disminuyen el coeficiente de Tensión Superficial y se caracterizan por
ser moléculas anfipáticas o anfifílicas (cabeza polar – cola no polar).  Las cabezas
polares se orientan hacia el medio hidrofílico y las regiones no polares se ubican hacia el
aire (no polar).
Cuando la superficie libre de una solución acuosa se completa (satura) con moléculas del
surfactante, un nuevo agregado de éste ya no se podrá ubicar en la superficie. Las nuevas
moléculas de surfactante se ubicarán en el seno de la solución pero lo harán formando
micelas. La máxima concentración de surfactante que se puede agregar sobre una
solución acuosa sin que en ella se formen micelas en su interior, recibe el nombre de
concentración micelar crítica (CMC).
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Las siguientes experiencias ponen en evidencia el efecto de agregar un agente un
tensioactivos sobre el coeficiente de tensión superficial. En este caso, nuestro sistema en
estudio consiste en tres chinches apoyadas sobre una interfase agua-aire amplia. Como
agentes tensioactivos emplearemos alcohol y detergente. Veamos qué se observa en
cada caso, al agregar gotas de alcohol o detergente. Una vez más, ¿se animan a
interpretar las observaciones en función del equilibrio de fuerzas intervinientes? Antes de
empezar investiguen cómo es la estructura química de una molécula de alcohol y de
detergente y cuál es su comportamiento en agua.
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#1
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Para abordar esta experiencia, revisá la Mostrativa #2 del subcapítulo anterior. 
1. ¿Qué sucede si se agregan gotas de agua en el sistema?
2. ¿Qué sucede al agregar una gota de alcohol cerca de la primera chinche? 
3.  Analicen las fuerzas intervinientes, comparando la situación anterior y posterior al
agregado de la gota. 
4. ¿Qué ocurre con el resto de las chinches? ¿Por qué?
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#2
Acción de tensioactivosAcción de tensioactivos
https://www.youtube.com/watch?v=scu0byl1r6E
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1. ¿Qué sucede al agregar una gota de detergente cerca de la primera chinche? Analicen
las fuerzas intervinientes, comparando la situación anterior y posterior al agregado de
la gota.
2. ¿Qué sucede con el resto de las chinches? ¿Por qué?
3. Si bien el alcohol y el detergente son ambos tensioactivos, ¿por qué difieren en su
efecto?
Acción de tensioactivos IIAcción de tensioactivos II
https://www.youtube.com/watch?v=2ofbBPe0Xrc
3.4 Ley de Laplace
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En este Capítulo estudiaremos interfases que presentan curvatura, como las que
encontramos en gotas, burbujas, pompas y meniscos. ¿Qué factores intervienen en el
mantenimiento de la curvatura? El siguiente video aborda la Ley de Laplace, que relaciona
la curvatura de una interfase con la diferencia de presión en dicha interfase en estado de
equilibrio y la tensión superficial que se opone a su deformación. 
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Las siguientes mostrativas introducen dispositivos en los cuales se evidencia la
formación de burbujas por aplicación de presión. En base a la Ley de Laplace
intentaremos explicar las observaciones registradas. 
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#1
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Tensión Super�cial - Ley de LaplaceTensión Super�cial - Ley de Laplace
Manómetro de presiónManómetro de presión
https://www.youtube.com/watch?v=T4RRsvYcKqE
https://www.youtube.com/watch?v=6nefl_paE_Y
1. ¿Qué sucede al presionar el émbolo de la jeringa?
2.  Analicen las presiones en los distintos puntos del sistema.
3.  Planteen las ecuaciones correspondientes. 
4. ¿Cómo determinarían el coeficiente de tensión superficial del líquido en estudio?
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#2
..
1. ¿Qué se observa a medida que se tira del émbolo de la jeringa?
2. Analicen las presiones en los distintos puntos del sistema. 
3. Realicen una comparación con la experiencia del manómetro de presión máxima de
burbuja.
Sistema jeringa capilarSistema jeringa capilar
https://www.youtube.com/watch?v=0ZJmpRBg2_4
3.5 Capilaridad - Ley de Jurin
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Habrán notado que cuando pipetean agua con una pipeta de vidrio se forma un menisco
que "moja" sus paredes. Si en cambio se estuviese pipeteando mercurio, el menisco
formado tendría distinta concavidad. En efecto, el mercurio "no moja" las paredes de
vidrio. Más aún, si disponemos un capilar de vidrio en una placa de petri con agua,
veríamos que el agua asciende por el capilar. Pero si el líquido fuese mercurio, no habría
ascenso, sino ¡descenso! ¿A qué se debe que un líquido "moje" o "no moje"? ¿Por qué en
ciertos sistemas hay ascenso capilar y en otros, descenso?  Hasta el momento nos
focalizamos en los fenómenos de tensión superficial, que se referían exclusivamente a la
interfase líquido-gas. En adelante, incluiremos otras interfases (sólido-líquido, sólido-gas)
y hablaremos de tensiones interfaciales. En el siguiente video definiremos ángulo de
contacto, analizaremos de manera conceptual los fenómenos de capilaridad y
deduciremos la Ley de Jurin. 
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Las siguientes mostrativas ilustran fenómenos de capilaridad y permiten poner en
evidencia algunos parámetros incluidos en la Ley de Jurin. 
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#1
Tensión Super�cial - Ley de JurinTensión Super�cial - Ley de Jurin
https://www.youtube.com/watch?v=fZVDjZILGxQ
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1. ¿Qué se observa al introducir los capilares en la caja de Petri? 
2. ¿Qué sucede con el líquido dentro de los capilares cuando se los despega?
Justifiquen.
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#2
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1. ¿Qué ocurre al sumergir los portaobjetos en el líquido?
2. ¿Cómo se explica este fenómeno? 
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#3
Ascenso capilarAscenso capilar
Ascenso en portaobjetosAscenso en portaobjetos
https://www.youtube.com/watch?v=ysWCBnmb2Rk
https://www.youtube.com/watch?v=QjchP3nFlWM
..   
1. ¿Qué sucede al sumergir los portaobjetos con esta nueva configuración en la
solución coloreada?
2. ¿Cómo se explica este fenómeno? 
3. Comparen respecto de la mostrativa anterior. 
Una hipérbola en físicaUna hipérbola en física
https://www.youtube.com/watch?v=7P8o75rY878
3.6 Ejemplos de aplicación
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Como adelantamos en el Capítulo 2, las implicancias del fenómeno de tensión superficial
son numerosas. A continuación analizaremos un ejemplo de aplicación profesional y un
ejemplo de relevancia fisiológica. El primer video discute los usos de agentes
surfactantes en sistemas dispersos, de importancia en la industria farmacéutica. Y el
segundo video analiza el rol del surfactante pulmonar a nivel respiratorio.
Aprovecharemos también para repasar la noción de tensioactivo y profundizar las
propiedades de los agentes surfactantes. 
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Tensión Super�cial - Tensioactivos y Sistemas DispersosTensión Super�cial - Tensioactivos y Sistemas Dispersos
Tensión Super�cial - SurfactantesTensión Super�cial - Surfactantes
https://www.youtube.com/watch?v=wwo2qPvkQjE
https://www.youtube.com/watch?v=D7SC3WuASmo
4 Tensiometría
En este Capítulo introduciremosdistintos métodos para determinar coeficientes de tensión
superficial.  Existen  diferentes métodos (que se basan en los diversos fenómenos de
tensión superficial vistos en capítulos anteriores) y en función de esto, diferentes equipos
(tensiómetros) para medir coeficientes de tensión superficial. Cada uno de estos equipos
mide algún parámetro emergente del sistema, en base a cálculos posteriores, puede dar
información sobre el coeficiente de tensión superficial en estudio.
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Importante: A continuación se muestran videos para que te
familiarices con el equipamiento para tensiometría. Recordá
que podés activar los subtítulos automáticos en dos de los
videos, el otro no tiene audio. De todos modos no nos importa
tanto que registres lo que se dice, ¡sino lo que se muestra!
Presentamos los videos para que puedas ver cómo son los equipos
y cómo se realizan las determinaciones.
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Tensiómetros de fuerza
En estos tensiómetros se mide la fuerza necesaria para vencer la acción de la fuerza de
tensión superficial cuando se intenta deformar la superficie del líquido en estudio. Para
esto, se coloca en contacto con la superficie del líquido una sonda sobre la que se ejerce
la fuerza deformante. La sonda de medición suele ser un anillo (método del anillo Du
Noüy) o una placa (método de la placa Wilhelmy). 
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Tensiómetro de gotas y de ángulo de contacto
En estos equipos se mide el volumen de una gota de líquido producido en un capilar
vertical en el momento de su desprendimiento o el ángulo de contacto formado al
depositar una gota en un determinado material.
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Tensiómetros de presión de burbuja
En estos tensiómetros se mide la presión interna máxima de una burbuja de gas que se
forma en un líquido por medio de un capilar. Estos equipos miden tensión superficial
dinámica, ya que la superficie cambia y renueva constantemente durante la medición.
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Surface Tension & Interfacial Tension using SiSurface Tension & Interfacial Tension using Si……
Contact Angle measurement - Theta FlexContact Angle measurement - Theta Flex
Kruss BP 100 5000Kruss BP 100 5000
https://www.youtube.com/watch?v=fhrlk2IaeD8
https://www.youtube.com/watch?v=EllAgq4tdx0
https://www.youtube.com/watch?v=rLad6IS5frs
5 Repaso y Revisión
Aprovechá para mirar estas diapositivas a modo de integración, relectura, repaso o
ampliación de algunos temas. 
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  Diapositiva 1    
Para descargar la presentación seguir el LINK
https://docs.google.com/presentation/d/1wJdTuwJezWzoioCNtit9lzV_0LaE3JeRKtZ8rKoztTw/edit?usp=sharing
6 Bibliografía
Sears. Mecánica, movimiento ondulatorio y calor. Editorial Aguilar. Capítulo 14.
Kane, Sternheim. Física. 2° Edición. Editorial Reverté. Capítulo 15.
Remington. Farmacia. Tomo I. 19° Edición. Editorial Panamericana. Capítulo 19.