MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA
DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
DE LA FUERZA ARMADA
NUCLEO-DELTA AMACURO.
VISCOSIDAD,
TENSION SUPERFICIAL E INTERFACIAL
VISCOSIDAD.
La viscosidad es una medida de la
resistencia interna al flujo, resultante de los efectos combinados de la
cohesión y la adherencia. ; También puede definirse como la oposición de un
fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se
llama fluido ideal, en realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de
viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena
para ciertas aplicaciones.
La viscosidad es una característica
de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso
su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.
Cabe señalar que la viscosidad sólo
se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo
adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede
resistir.
La unidad en el sistema cgs para la
viscosidad dinámica es el poise (p), cuyo nombre homenajea a Jean Louis Marie
Poiseuille. Se suele usar más su submúltiplo el centipoise (cp). El centipoise
es más usado debido a que el agua tiene una viscosidad de 1,0020 cp a 20 °C.
El poise o centipoise (0,01 poise)
se define como la fuerza requerida en dinas para mover un plano de un
centímetro cuadrado de área, sobre otro de igual área y separado un centímetro
de distancia entre sí y con el espacio relleno del líquido investigado, para
obtener un desplazamiento de un centímetro en un segundo.
1 poise =100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s.
1 centipoise = 1 LmPa·s.
La viscosidad de los crudos en el
yacimiento puede tener 0,2 hasta más de 1.000 centipoise.
La viscosidad es una de las
características más importantes de los hidrocarburos en los aspectos
operacionales de producción, transporte, refinación y petroquímica. La
viscosidad, se obtiene por varios métodos y se le designa por varios valores de
medición. Es muy importante el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de
los crudos, en el yacimiento o en la superficie, especialmente concerniente a
crudos pesados y extrapesados. Debido a esto
La viscosidad es la principal característica de la mayoría de los productos
lubricantes. Es la medida de la fluidez a determinadas temperaturas.
Si la viscosidad es demasiado baja el film lubricante no soporta las cargas entre las piezas y desaparece del medio sin cumplir su objetivo de evitar el contacto metal-metal.
Si la viscosidad es demasiado baja el film lubricante no soporta las cargas entre las piezas y desaparece del medio sin cumplir su objetivo de evitar el contacto metal-metal.
Si la viscosidad es demasiado alta el lubricante no es capaz de llegar
a todos los intersticios en donde es requerido.
Al ser alta la viscosidad es necesaria mayor fuerza
para mover el lubricante originando de esta manera mayor desgaste en la bomba
de aceite,
además de no llegar a lubricar rápidamente en el arranque en frio.
La medida de la viscosidad se expresa comúnmente con dos sistemas
de unidades
SAYBOLT (SUS) o en el sistema
métrico CENTISTOKES (CST).
Como medida de la fricción interna actúa como resistencia contra la modificación de la posición de las moléculas al actuar sobre ellas una tensión de cizallamiento.
Como medida de la fricción interna actúa como resistencia contra la modificación de la posición de las moléculas al actuar sobre ellas una tensión de cizallamiento.
La viscosidad es una propiedad
que depende de la presión
y temperatura
y se define como el cociente resultante de la división de la tensión de
cizallamiento (t ) por el gradiente de velocidad
(D).
m=t/D
Con flujo lineal y siendo constante la presión, la velocidad y la
temperatura.
Afecta la generación de calor
entre superficies giratorias (cojinetes, cilindros, engranajes). Tiene que ver
con el efecto
sellante del aceite.
Determina la facilidad con que la maquinaria arranca bajo condiciones de baja
temperatura ambiente.
También
se define la viscosidad como la oposición de un fluido a las deformaciones
tangenciales. Un fluido que no presenta viscosidad se llama fluido ideal. Pero
en realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el
modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas
aplicaciones.
Maginemos un bloque sólido
(no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar
sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la
mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza
aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez.
Si imaginamos que la goma de borrar
está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la
deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las
adyacentes, tal como muestra la figura (c).
Ejemplo de la viscosidad de la leche
y el agua. Líquidos con altas viscosidades no forman salpicaduras.
Cabe señalar que la viscosidad sólo
se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo
adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no Puede
resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la
superficie del mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza
que actúa en ese momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.
Si la viscosidad fuera muy grande,
el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que significa que
éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir,
estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos
ante un superfluido
que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no
estén llenos (véase Helio-II).
La viscosidad es característica de
todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser
despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.
Factores que afectan a
la viscosidad.
a) Efecto de la temperatura.
El efecto de
la temperatura sobre la viscosidad de un líquido es notablemente diferente del
efecto sobre un gas; en el caso de los gases la viscosidad aumenta con la
temperatura, mientras que en caso de los líquidos, esta disminuye
invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura. Al aumentar la
temperatura del crudo se disminuye su viscosidad debido al incremento de la
velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminución de su fuerza de
cohesión como también la disminución de la resistencia molecular interna al
desplazamiento.
El propósito
de aumentar la temperatura del crudo es disminuir su viscosidad mediante el
incremento de la velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminución
de sus fuerzas de cohesión como también la disminución de la resistencia
molecular interna al desplazamiento. Muchos investigadores han propuesto
modalidades de la relación de la viscosidad- temperatura pero la más apropiada
en la Correlación de Slotte, utilizada por Herchel, la cual es aplicable a casi
todos los crudos y da un gráfico (ASTM) en línea recta sobre papel log-log.
b) Efecto de la densidad sobre la viscosidad.
Se define
como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. La densidad
de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotara sobre
otra si su densidad es menor. Mientras más denso sea el fluido, mayor será su
viscosidad.
c) Efecto de la presión.
El efecto de
la presión mecánica aumenta la viscosidad. Si el incremento de presión se efectúa
por medios mecánicos, sin adición de gas, el aumento de presión resulta en un
aumento de la viscosidad. Este comportamiento obedece a que está disminuyendo
la distancia entre moléculas y, en consecuencia, se está aumentando la
resistencia de las moléculas a desplazarse.
d) Efecto del gas que pueda tener en solución.
La adición de gas en solución a un
crudo a temperatura constate reduce su viscosidad. La reducción de viscosidad
se produce por que las moléculas relativamente pequeñas de los componentes del
gas pasan a formar parte de la configuración molecular y aumentan la separación
intermolecular entre las moléculas complejas de la fase líquida, lo cual reduce
la resistencia al movimiento.
La correlación de Chef-Connally y la Correlación de Beal; son las correlaciones utilizadas para el efecto de la solubilidad de gas, y el petróleo sin gas respectivamente.
La correlación de Chef-Connally y la Correlación de Beal; son las correlaciones utilizadas para el efecto de la solubilidad de gas, y el petróleo sin gas respectivamente.
Para el estudio de la viscosidad en
actividades de campo, la gravedad ºAPI del crudo sin gas, a presión atmosférica
y a 60ºF, la medición más sencilla que pueda hacerse.
Índice
de Viscosidad
Los cambios de temperatura afectan a la viscosidad del lubricante
generando así mismo cambios en ésta, lo que implica que a altas temperaturas la
viscosidad decrece y a bajas temperaturas aumenta. Arbitrariamente se tomaron
diferentes tipos de aceite y se midió su viscosidad a 40*C y 100*C, al aceite
que sufrió menos cambios en la misma se le asignó el valor
100 de índice de viscosidad y al que varió en mayor proporción se le asignó
valor 0 (cero) de índice de viscosidad. Luego con el avance en el diseño
de los aditivos mejoradores del índice de viscosidad se logró formular
lubricantes con índices mayores a 100
Tipos de viscosidad.
Se puede mencionar las siguientes viscosidades:
- Viscosidad
aparente: viscosidad que puede tener una sustancia en un
momento dado, la cual se mide por medio de un instrumento que determina la
tasa de cizallamiento. Es una función de la viscosidad plástica con respecto
al punto cedente.
- Viscosidad
cinemática: viscosidad en centipoise dividida por la
densidad a la misma temperatura y se designa en unidades Stokes o
centiStokes.
- Viscosidad
Universal Saybolt (SSU): representa el tiempo en
segundos para que un flujo de 60 centímetros cúbicos salga de un
recipiente tubular por medio de un orificio, debidamente calibrado y
dispuesto en el fondo del recipiente, el cual se ha mantenido a
temperatura constante.
- Viscosidad
relativa: relación de la viscosidad de un fluido con
respecto a la del agua.
- Viscosidad
Engler: medida de viscosidad que expresa el tiempo de
flujo de un volumen dado a través de un viscosímetro de Engler en relación
con el tiempo requerido para el flujo del mismo volumen de agua, en cuyo
caso la relación se expresa en grado Engler.
- Viscosidad
Furol Saybolt (SSF): tiempo en segundos que tarda
en fluir 60 cc de muestra a través de un orificio mayor que el Universal,
calibrado en condiciones especificadas, utilizando un viscosímetro
Saybolt.
- Viscosidad
Redwood: Método de ensayo británico para determinar la
viscosidad. Se expresa como el número de segundos necesarios para que 50
cc de la muestra fluyan en un viscosímetro Redwood, bajo condiciones
específicas de ensayo.
También se puede puntualizar:
·
Viscosidad
del petróleo (uo):
Es la
resistencia que presenta el crudo al desplazarse por un espacio poroso en el
subsuelo. La viscosidad del petróleo representa la capacidad que tendrá este
para desplazarse en el subsuelo mediante la permeabilidad que ofrezca el
espacio poroso de la formación.
·
Viscosidad del gas (ug):
Es
la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad
del esfuerzo cortante, que se aplica a una porción de fluido para que adquiera
movimiento (viscosidad dinámica).
Hay
distinto tipos de viscosidad, siendo las de mayor estudio la dinámica y la cinemática, siendo ésta última la resistencia que se genera
al fluir un fluido bajo el efecto de la gravedad.
La
viscosidad de los gases tendrán el siguiente comportamiento:
- A bajas presiones (menor a 1500 lpc), un aumento de la temperatura aumentará la viscosidad del gas.
- A bajas presiones (menor a 1500 lpc), un aumento de la temperatura aumentará la viscosidad del gas.
-
A altas presiones (mayor a 1500 lpc), un aumento de la temperatura disminuye la
viscosidad.
-
A cualquier temperatura, si se aumenta la presión la viscosidad aumenta.
- La viscosidad será mayor, a medida que el gas posea componentes más pesados.
- La viscosidad será mayor, a medida que el gas posea componentes más pesados.
Factores que afectan la
viscosidad de un gas:
Ø a
bajas presiones (<1000-1500lpca), a medida que aumenta la temperatura
aumenta la viscosidad de un gas, debido al incremento de la energía cinética de
las moléculas que producen gran numero de choques intermoleculares.
Ø a
elevadas presiones (>1000-1500lpca), a medida que aumenta la temperatura
disminuye la viscosidad de un gas, debido a la expansión térmica de las
moléculas a elevadas presiones la distancia intermolecular d los gases son
pequeños y un das tiende a comportarse como un liquido.
Ø a
cualquier temperatura le viscosidad de un gas aumenta con el incremento de
presión debido a la disminución de las distancias intermoleculares.
Ø a
medida que un gas es más pesado sus moléculas serán más grandes y por lo tanto
su viscosidad será mayor.
·
Viscosidad dinámica.
Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos paralelos por
una unidad de distancia, cuando el espacio que los separa está lleno con un
fluido y uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su propio plano
con respecto al otro también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de
viscosidad
·
Viscosidad cinemática.
Es
la razón de viscosidad a densidad de masa.
Diferencia
entre la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática.
1. La viscosidad dinámica es conocida también como absoluta.
Viscosidad es la resistencia interna al flujo de un fluido, originado por el
roce de las moléculas que se deslizan unas sobre otras. Analiza esto: en un
sólido, existe una estructura cristalina donde unas moléculas se enlazan de
forma rígida y su estructura no cambia; en cambio, en un fluido las moléculas
no permanecen en el mismo lugar dentro de la masa, sino que se mueven, pero a
la vex tratan de mantenerse unidas: ese esfuerzo por permanecer en un lugar
fijo es la resistencia al flujo y determina la viscosidad. La viscosidad
dinámica se toma del tiempo que tarda en fluir un líquido a través de un tubo
capilar a una determinada temperatura y se mide en "poises"
(gr/cm*seg). Es decir, es inherente a cada líquido en particular pues depende
de su masa.
2. La viscosidad cinemática representa esta característica desechando las fuerzas que generan el movimiento. Es decir, basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluido y se obtiene una unidad simple de movimiento: cm2/seg (stoke), sin importar sus características propias de densidad.
Unidades de la viscosidad dinámica y
la viscosidad cinemática
En el
sistema internacional (SI), la unidad de viscosidad dinámica es el Pascal
segundo (Pa.s) o también Newton segundo por metro cuadrado (N.s/m2), o sea
kilogramo por metro segundo (kg/ms).
La unidad
correspondiente en el sistema CGS es el Poise y tiene dimensiones de Dina
segundo por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El
Centipoise (cP), 10-2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la
viscosidad dinámica dado que la mayoría de los fluidos poseen baja viscosidad.
En el
sistema internacional (SI), la unidad de viscosidad cinemática es el metro
cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el Stoke (St),
con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el Centistoke (cSt), 10-2
Stokes, que es el submúltiplo más utilizado.
TENSIÓN
SUPERFICIAL.
La
tensión superficial es la fuerza en la superficie de un líquido que hace que el
área de esa superficie sea la mínima posible. De otra manera la tensión
superficial es la medida de la fuerza elástica por unidad de longitud que actúa
en la superficie de un líquido.
F=fuerza
de la película elástica)
L=longitud
de la película elástica
Unidades:
N/m; dina/cm
Para
determinado volumen, una esfera tiene superficie mínima y la tensión
superficial es la que hace que las gotas pequeñas de los líquidos sean
esféricas.
Las
moléculas en el interior de un líquido son atraídas por sus vecinas desde todos
los lados. Las moléculas que están en la superficie no tienen moléculas vecinas
por todos sus lados por consiguiente son atraídas hacia el líquido. La tensión
superficial es la que permite a algunos insectos caminar sobre el agua y que el
agua se acumule un poco sobre el borde de un recipiente.
LÍQUIDO
|
γ(DINA/CM)
|
Agua
|
72.75
|
Acetona
|
23.7
|
Benceno
|
28.9
|
Tetracloruro
de carbono
|
26.7
|
n-octano
|
21.8
|
Nitrobenceno
|
41.8
|
Etanol
|
22.3
|
Metanol
|
22.6
|
Fig.4.
Tabla que muestra la tensión superficial de algunos líquidos a 20ºC
Entre
los factores que afectan la tensión superficial se encuentran las sustancias
tensoactivas las cuales disminuyen la tensión superficial del agua; las sales
las cuales aumentan la tensión superficial y la temperatura la cual tiene una
relación inversa con la tensión superficial.
En otras palabras.
Una molécula
en el interior de un líquido está sometida a la acción de fuerzas atractivas
(lo que hemos denominado como cohesión) en todas las direcciones, siendo la
resultante de todas ellas nula. Pero si la molécula está situada en la
superficie del líquido, sufre un conjunto de fuerzas de cohesión, cuya
resultante es perpendicular a la superficie, experimentando pues una fuerza
dirigida hacia el líquido. De aquí que sea necesario consumir cierto trabajo
para mover las moléculas hacia la superficie venciendo la resistencia de estas
fuerzas, por lo que las moléculas de la superficie tienen más
energía que las interiores.
Se define cuantitativamente la
tensión Fig. 5. Ejemplo de Tensión S. superficial como el trabajo que debe realizarse para
llevar moléculas en número suficiente desde el interior del líquido hasta la
superficie para crear una nueva unidad de superficie.
Debido a
estas fuerzas, la superficie tiende a contraerse y ocupar el área más pequeña
posible. Si se trata de una gota libre, tiende a tomar la forma esférica como
veremos a continuación.
Ejemplo, un
alfiler puede por la tensión superficial líquida, flotar sobre la superficie
del agua, a pesar de ser la densidad del acero mucho mayor que la del agua, y
cuando el alfiler cae al fondo se observa que lo hace con la punta hacia abajo
porque perfora esta especia de película donde se ejerce la tensión superficial.
Representación:
Frente a la concentración.
Representación de la tensión superficial frente a la concentración y se
ajustan los valores a la ecuación:
Se obtienen los
parámetros a y b:
Equation: 72,75-a*ln(1+b*x)
Weighting:
Y No weighting
Chi^2/DoF R^2
En un fluido
cada molécula interacciona con las que le rodean. El radio de acción de
las fuerzas moleculares es relativamente pequeño, abarca a las moléculas
vecinas más cercanas. Vamos a determinar de forma cualitativa, la resultante de
las fuerzas de interacción sobre una molécula que se encuentra en
- A, el interior del líquido
- B, en las proximidades de la superficie
- C, en la superficie
Consideremos
una molécula (en color rojo) en el seno de un líquido en equilibrio, alejada de
la superficie libre tal como la A. Por simetría, la resultante de todas las
fuerzas atractivas procedentes de las moléculas (en color azul) que la rodean,
será nula.
En cambio,
si la molécula se encuentra en B, por existir en valor medio menos moléculas
arriba que abajo, la molécula en cuestión estará sometida a una fuerza
resultante dirigida hacia el interior del líquido.
Si la
molécula se encuentra en C, la resultante de las fuerzas de interacción es
mayor que en el caso B.
Las fuerzas
de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la
superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el
interior del líquido.
Como todo
sistema mecánico tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja energía
potencial, se comprende que los líquidos tengan tendencia a presentar al
exterior la superficie más pequeña posible.
Ya hemos mencionado las fuerzas de
interacción, pero aún no hemos aclarado la causa de este comportamiento en los
líquidos. Para dar una explicación clara a este comportamiento, hay que definir
antes dos nuevos conceptos: La adherencia y la cohesión.
Se define como la fuerza de atracción
entre partículas (como son las moléculas que forman los líquidos) de la misma
clase.
Si tenemos dos partículas de forma aislada
como en la siguiente figura, cada una de ellas se verá afectada por una fuerza
que tiende a juntarlas y aproximarlas entre sí.
La adherencia
La adherencia se define como la atracción
mutua entre superficies de dos cuerpos puestos en contacto. Cerca de cuerpos
sólidos tales como las paredes de una vasija, canal o cauce que lo contenga, la
superficie libre del líquido cambia de curvatura de dos formas distintas a
causa de la adherencia y cohesión.
Si se suspende de una platilla de
una balanza un disco de vidrio en posición
horizontal; después de equilibrarlo en el otro platillo se inclina la cruz
hasta que el disco toque la superficie del agua contenida en un vaso; cargando
entonces el platillo se ve que el disco comienza a elevarse arrastrando una
columna de agua, que acaba de romperse, quedando el disco mojado. Se dice en
este caso que el agua moja al disco.
Fig. 9. Ej. De Adherencia.
La
capa del líquido se adhiere al disco y el resto asciende ayudado por la
cohesión. Como la capa de agua se rompe, se deduce que en este caso la
adherencia es mayor que la cohesión.
Si en vez de
agua se realiza la misma prueba con mercurio, vemos como el agua no moja al
sólido. Aquí la capa líquida se deprime hacia las paredes. En este otro caso
deducimos que la cohesión es mayor que la adherencia, no llegando a romperse la
barra líquida. Vemos pues como en el efecto de la capilaridad de los líquidos actúa
la adherencia y la cohesión.
Como ejemplo
de cómo actúan las fuerzas de adherencia y cohesión, hagamos la siguiente
prueba. Tomemos unas bolas de caucho flotando sobre el agua de forma que
algunas de ellas estén recubiertas de aceite (en este caso el agua no las mojará).
Las bolas así dispuestas, se atraerán o se repelerán según estén o no en las
mismas condiciones tal y como se muestra en la siguiente ilustración.
Coeficiente
de tensión superficial
Se puede determinar la energía superficial debida a
la cohesión mediante el dispositivo de la figura.
Una lámina de jabón queda adherida
a un alambre doblada en doble ángulo recto y a un alambre deslizante AB. Para
evitar que la lámina se contraiga por efecto de las fuerzas de cohesión, es
necesario aplicar una fuerza F al alambre deslizante.
|
Ejemplo.
La fuerza F
es independiente de la longitud x de la lámina. Si desplazamos el
alambre deslizante una longitud x, las fuerzas exteriores han realizado
un trabajo Fx, que se habrá invertido en incrementar la energía
interna del sistema. Como la superficie de la lámina cambia en S=2dx
(el factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte
de las moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han
trasladado a la superficie recién creada, con el consiguiente aumento de
energía.
Si llamamos a la energía por
unidad de área, se verificará que
La energía superficial por unidad de
área o tensión superficial se mide en J/m2 o en N/m.
La tensión
superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de
la temperatura. En general, la tensión superficial disminuye con la
temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación
térmica. La influencia del medio exterior se comprende ya que las moléculas del
medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas situadas en la superficie
del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido.
Líquido
|
(10-3 N/m)
|
Aceite de oliva
|
33.06
|
Agua
|
72.8
|
Alcohol etílico
|
22.8
|
Benceno
|
29.0
|
Glicerina
|
59.4
|
Petróleo
|
26.0
|
Fig. 12. Tensión superficial de
los líquidos a 20ºC.
La tensión
superficial del líquido se calcula a partir del diámetro 2R del anillo y
del valor de la fuerza ΔF que mide el dinamómetro.
El líquido se coloca en un recipiente, con el anillo Fig.13.
Medición de la Tensión S. Inicialmente
sumergido. Mediante un tubo que hace de sifón se extrae poco a poco el líquido
del recipiente. El método de Du Nouy es uno de los más conocidos. Se mide la
fuerza adicional ΔF que hay que ejercer sobre un anillo de aluminio
justo en el momento en el que la lámina de líquido se va a romper.
1. El comienzo
del experimento
2. Cuando se va
formando una lámina de líquido.
3. La situación
final, cuando la lámina comprende únicamente dos superficies (en esta situación
la medida de la fuerza es la correcta) justo antes de romperse.
Si el anillo
tiene el borde puntiagudo, el peso del líquido que se ha elevado por encima de
la superficie del líquido sin perturbar, es despreciable.
No todos los
laboratorios escolares disponen de un anillo para realizar la medida de la
tensión superficial de un líquido, pero si disponen de portaobjetos para
microscopio. Se trata de una pequeño pieza rectangular de vidrio cuyas
dimensiones son a=75 mm de largo, b=25 mm de ancho y
aproximadamente c=1 mm de espesor, su peso es aproximadamente 4.37 g.
Fig. 15. Ejemplo de cálculo. Tensión
S. ΔF=2·γ(a+c)
Se empuja el
portaobjetos hacia arriba cuasiestáticamente. Justamente, cuando va a dejar de
tener contacto con la superficie del líquido, la fuerza F que hemos de
ejercer hacia arriba es igual a la suma de:
- El peso del portaobjetos mg
- La fuerza debida a la tensión superficial de la
lámina de líquido que se ha formado 2·γ(a+c)
- El peso del líquido ρgach que se ha
elevado una altura h, sobre la superficie libre de líquido. Siendo ρ
es la densidad del líquido.
Para un
portaobjetos de la dimensiones señaladas, que toca la superficie del agua, h
es del orden de 2.3 mm (véase el artículo citado en las referencias)
- La fuerza debida a la tensión superficial es 2·γ(a+c)=2·72.8·10-3·(0.075+0.001)=11.07·10-3
N
- El peso de la lámina de agua es del orden de ρgach=1000·9.8·0.075·0.001·0.0023=1.70·10-3
N
Para que la
simulación sea lo más simple posible, no se ha tenido en cuenta el peso de la
lámina de líquido que se eleva por encima de la superficie libre.
TENSIÓN INTERFACIAL.
Tensión
interfacial, un líquido en contacto con otra sustancia
(sólido, líquido o gas) posee una energía que es el resultado de la diferencia
del grado de atracción de las moléculas de la superficie entre ellas con la del
grado de atracción de otra sustancia... Este fenómeno se define como la
cantidad de energía que hace falta para separar un área unitaria de una
sustancia desde otra. Se designa como i, j. En los acuíferos no encontramos, en
la zona no saturada, agua formando capas alrededor de los granos del suelo que
no puede fluir por la fuerzas de capilaridad, pero que interactúa, con la fase
líquida no acuosa del contaminante. El contacto trifásico agua (W), crudo (O) y
sólido (S) está caracterizado por los ángulos de contacto.
Las
fuerzas de atracción que existen entre las moléculas de un líquido, son de
diferente magnitud dependiendo de la zona del líquido considerada. Las
moléculas en su seno del líquido están lo suficientemente cerca para que el
efecto de las fuerzas de atracción sea considerable, pero tienden a
equilibrarse.
Por
el contrario, las moléculas de la zona superficial, como se puede apreciar en
la figura. No están rodeadas completamente por otras moléculas del líquido y
por lo tanto estas moléculas están desequilibradas con un efecto neto hacia el
seno del líquido. Esta fuerza neta es normal a la superficie y será más baja
mientras más pequeña sea dicha superficie. Es decir, para una superficie mínima
se cumple una energía mínima y por lo tanto podemos decir que la superficie de
un líquido tiende a contraerse y el efecto resultante de estas fuerzas de
contracción es lo que da origen a la tensión superficial, permitiendo además
que la superficie sea estable.
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