¡Descarga Tensión superficial: Conceptos, efectos y aplicaciones en la ingeniería agroindustrial y más Ejercicios en PDF de Física Experimental solo en Docsity!
TENSIÓN
SUPERFICIAL
Luna Vanneza Cerón Otaya, Darlen Balentina Certuche, Sebastián Daniel Pantoja Belalcazar, Ginna Viviana Muñoz Garcia. Universidad del Cauca: lunaceron@unicauca.edu.co darlen@unicauca.edu.co, sebastianbela@unicauca.edu.co, gvmunoz@unicauca.edu.co.
Resumen — En este informe se presentan los procedimientos
y observaciones de la práctica de laboratorio realizada,estos datos están orientados a la medición de la tensión superficial de líquidos. El objetivo principal es determinar las propiedades capilares y de tensión superficial mediante el uso de mercurio en un tubo capilar y la formación y ruptura de una membrana líquida con un anillo metálico. Para lograr esto, se realizaron mediciones cuidadosas de masa, volumen, fuerza y altura en condiciones ambientales controladas para asegurar la exactitud de los resultados. Se prestó especial atención a la manipulación de sustancias peligrosas como el mercurio y al manejo de los instrumentos de medición. Los experimentos se basan en principios fundamentales de la física de fluidos y requieren un enfoque meticuloso para obtener buenos datos. Palabras clave — Tensión superficial, método capilar, método de ruptura de membrana, mercurio, mediciones precisas, control de condiciones, física de fluidos. I. OBJETIVOS
- Determinar experimentalmente la tensión superficial del agua a temperatura ambiente.
- Discutir la relación de los conceptos de tensión superficial, capilaridad y fuerzas de adhesión y cohesión II. MARCO TEÓRICO Fuerzas Intermoleculares y Propiedades Físicas de los Líquidos Las fuerzas intermoleculares, tanto de atracción como de repulsión, desempeñan un papel fundamental en la determinación de las propiedades físicas de la materia, incluidos el punto de ebullición, el punto de fusión, el calor de vaporización y, especialmente relevante para este estudio, la tensión superficial. Estas fuerzas son responsables de la cohesión entre las moléculas que constituyen un líquido. Tensión Superficial: Concepto y Efectos La tensión superficial se origina debido a que las moléculas en la superficie de un líquido no están completamente rodeadas por otras moléculas y, por lo tanto, experimentan una atracción neta hacia el interior del líquido. Este fenómeno hace que la superficie del líquido se comporte como si estuviera cubierta por una membrana elástica invisible. La tensión superficial es una medida de la energía necesaria para aumentar el área de la superficie de un líquido, y se expresa comúnmente en ergios por centímetro cuadrado ( 𝑒𝑟𝑔/𝑐𝑚) o dinas por centímetro (dyn/cm). 2 Implicaciones de la Tensión Superficial Esta propiedad es crucial para fenómenos como la formación de gotas, que tienden a ser esféricas para minimizar la energía superficial; el ascenso de líquidos en capilares, donde la tensión superficial contrarresta la gravedad; y la capacidad de objetos pequeños o incluso algunos organismos para posarse o moverse sobre la superficie del agua sin
sumergirse.[1]
la fórmula para calcular el volumen de la columna de mercurio que se utilizó es: 𝑣 = 𝜋𝑟2ℎ(𝑐𝑚 (1) 3 ) donde h es la longitud de la columna de Hg, y 𝑟 es el radio del capilar. el volumen también se encontró utilizando la definición de densidad de una sustancia de la siguiente manera:
Comparando estas expresiones, se calculó el radio como: (3) donde m es la masa de la columna de Hg y ρ es la densidad de mercurio (13.6 g/cm³) y h es la longitud de la columna de Hg. La fórmula que se debe usar para hallar el coeficiente de tensión es : (4) Donde γ: coeficiente de tensión (dinas/cm)
θ: ángulo de contacto .g: gravedad 9.76 𝑚/𝑠 para Popayán 2 Los resultados obtenidos permitirán comprender mejor la interacción de las fuerzas intermoleculares y su impacto directo en la tensión superficial de los líquidos.[2] III. MATERIALES Y EQUIPOS ● Tubos Capilares ● Balanza Analítica ● Recipientes Graduados (incluyendo Probetas y Beakers) ● Termómetro ● Jeringas ● Mercurio (se utilizó guantes de nitrilo para su manipulación) ● Regla Graduada (con precisión en milímetros) ● Cinta Transparente (los estudiantes deben traerla al laboratorio) ● Bayetilla(los estudiantes deben traerla al laboratorio) MATERIALES PARA EL PROCEDIMIENTO 2: ● Anillo para Medición de la Tensión Superficial ● Dinamómetro de Precisión (0.1 N) ● Calibrador ● Recipiente para Agua ● Plataforma de Altura Variable ● Varilla de Soporte ● Pinza con Mordaza ● Termómetro ● Par de Guantes ● Agua IV. PROCEDIMIENTO ● Se tomó el capilar y se pesó en la balanza. Luego, se inyectó cuidadosamente mercurio utilizando la jeringa, teniendo en cuenta que el mercurio es muy tóxico y costoso ● Se pesó de nuevo el conjunto para determinar la masa del mercurio utilizado. ● Se retiró cuidadosamente el mercurio del capilar y se guardó en el recipiente. ● Se tomó el beaker y se vertió el líquido problema en él, y se midió la temperatura ambiente con el termómetro. ● Se sumergió el capilar perpendicularmente en el recipiente con el líquido, observando el fenómeno de ascenso del líquido en su interior. Se midió la altura a la cual ascendía la columna del líquido dentro del capilar cuando este se encontraba a ras con la superficie del líquido. ● Finalmente, teniendo en cuenta el valor de la altura medida y de la ecuación (4), se despejó y se determinó el valor de la tensión superficial ( γ ) para el líquido. PROCEDIMIENTO 2 ● Se determinó el diámetro del anillo de metal y su grosor utilizando el calibrador. ● Se puso a cero el dinamómetro mediante el manguito deslizable posteriormente se desenredó cuidadosamente la cuerda del anillo de metal y se ubicó en el dinamómetro para hacer la lectura. ● Se limpió cuidadosamente el recipiente y se vertió agua en él. ● Se colgó el anillo de la pinza con mordaza por encima del recipiente, luego se ubicó la plataforma de altura variable a una altura de aproximadamente 20 cm y se hizo descender la pinza con mordaza hasta que el anillo quedó completamente sumergido en el agua. ● Se fue descendiendo cuidadosamente y lentamente la plataforma, leyendo siempre en el dinamómetro la fuerza de tracción. ● Se leyó y consignó la fuerza de tracción inmediatamente antes de la ruptura de la membrana. esto se repitio cinco veces. V. RESULTADOS DATOS DEL MERCURIO Para poder obtener la masa del mercurio que utilizamos, primero pesamos el capilar. 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟: 0. 52 𝑔 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 + 𝐻𝑔 : 1. 16 𝑔 (𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 + 𝐻𝑔) − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 : 0. 64 𝑔 La masa del mercurio (Hg) es: 0.64 g Altura del mercurio (Hg): 0.965 cm
𝑌 = ℎ 𝐶𝑜𝑠(θ) ×𝑟×ρ×𝑔 2 Reemplazamos los datos. 𝑌 = 2.025 𝑐𝑚 𝐶𝑜𝑠(5°) ×0.069𝑐𝑚×1.00 𝑔/𝑐𝑚 (^3) ×978 𝑐𝑚/𝑠 2 2 𝑌 = 68. 45 𝐷𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑐𝑚 Para el procedimiento 2 se tiene un R igual a: R= 29.59+29.18 2 R=29,385cm≈ 0, 2839𝑚 Ya con esto se puede calcular la tension superficial del alambre dada por la ecuación γ = ∆𝐹2𝑙 γ = 0,023𝑁 2π*0,2938𝑚 pero realizando el cálculo con la converción de Dyn /cm γ = 12, 4 𝐷𝑦𝑛𝑐𝑚 VI. ANÁLISIS, CÁLCULOS Y PREGUNTAS La tensión superficial es un fenómeno en el que la superficie de un líquido, en contacto con un gas (como el aire), actúa como una especie de lámina elástica. Las moléculas en la superficie del líquido están atraídas hacia el interior, creando una membrana tensa que puede sostener una gota contra la gravedad mientras cuelga desde un gotero[3]. El resultado obtenido para el coeficiente de tensión del agua fue de 68. 45 ,en este laboratorio se debe tener en 𝐷𝑦𝑛 𝑐𝑚 cuenta que, la tensión superficial es mayor que cero, ya que se necesita energía para aumentar la superficie de un líquido[3],item que cumple sin problema la teoría. Por otro lado el valor de la tensión superficial depende de las fuerzas intermoleculares dentro del líquido, junto con las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, lo que da lugar a la capilaridad y finalmente, la tensión superficial disminuye con la temperatura debido a la mayor agitación térmica [3] si comparamos los valores teóricos del coeficiente de tensión superficial en ; 72,75 a 20°C y 71,98 a 25°C [4] con el 𝐷𝑦𝑛 𝑐𝑚 experimental 68,45 a 24°C se observa que efectivamente el coeficiente de tensión superficial disminuye a medida que aumenta la temperatura y que por unidad de grado centígrado (°C)su incremento o decreción va a ser equivalente a 0,154 , por ende si le restamos este valor 𝐷𝑦𝑛 𝑐𝑚 al resultado de la teoría a 25°C obtenemos que el valor teórico a 24°C es de 71,826 , con un porcentaje de error 𝐷𝑦𝑛 𝑐𝑚 del 4,7% hallado de la siguiente manera: %Error= 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙− 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 * 100 %Error= 68,45− 71, 71,826 * 100 %Error= 4,7% Se puede verificar que existe una discrepancia entre el el valor experimental y el teórico considerable, esto se le puede atribuir a múltiples errores de medición: al medir la masa, la altura del líquido en el capilar, la temperatura ambiente, y sobre todo en la medición del ángulo de contacto pues el instrumentos de medición proporcionado estaba en mal estado, esto conlleva a posibles lecturas imprecisas Por otro lado la medición del ángulo de contacto se realiza mediante técnicas ópticas, como la evaluación de la imagen de la sombra de la gota o el uso de microscopios de calentamiento[5] y en nuestro caso se utilizó un metodología muy casera para medición de ángulo de contactos, una regla y un transportador no son materiales suficientes para hallar un valor preciso del ángulo para este caso. Siguiendo con el análisis ahora se compará el coeficiente de tensión superficial del mercurio, el cual en laboratorio se obtuvo un valor de 264. 59 con el valor teórico 𝐷𝑦𝑛 𝑐𝑚 equivalente a 490 a 24°C[6]. Los resultados muestran 𝐷𝑦𝑛 𝑐𝑚 que la tensión superficial del mercurio es significativamente mayor que la del agua. Esto significa que el mercurio no puede mojar ninguna superficie con la cual esté en contacto debido a su alta tensión superficial. Para contextualizar, esta cifra es seis veces mayor que la del agua en contacto con el aire[7] con todo lo anterior se obtiene un error porcentual del 98% obtenido de %Error= 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙− 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 * 100 %Error= 264,59− 490 490 * 100 %Error= 46,0% si bien es evidente la incongruencia entre valores a este se le pueden sumar otros errores aparte de los ya mencionados para el agua, pues el agua se recolectó del grifo y asumimos que era pura, pero para el caso del mercurio pasa lo contrario, debido a que es un material que ha estado en el laboratorio durante mucho tiempo y ha sido manipulado por muchos haciendo que este ya no sea un elemento puro
debido a las múltiples interacciones a lo largo del tiempo, si bien esto lo podemos comprobar realizando un cálculo rápido de la densidad del mercurio utilizado ρ = 𝑚 𝑣 ρ = 0,64𝑔 0,44𝑐𝑚^3 ρ = 14, 55 g/cm obtenemos que la densidad del mercurio utilizado es de 14,55 g/cm3 mientras que para los cálculos se asumió una densidad teórica de 13,546 g/cm3. Con esta incongruencia el resultado de los cálculos para el coeficiente de la tensión superficial se estaba calculando para el mercurio sin saber que su densidad se aproxima a otro componente. Ahora bien si analizamos los coeficientes de tensión superficial del agua y el mercurio, estos son consistente con las propiedades conocidas de estos líquidos, donde el mercurio tiene una tensión superficial mucho más alta debido a las fuerzas intermoleculares más fuertes. Si profundizamos un poco en el tema observamos que el mercurio es un metal líquido a temperatura ambiente, lo que significa que sus moléculas son átomos de mercurio que forman enlaces metálicos, los enlaces metálicos son fuertes y tienen una naturaleza del tipo "del mar de electrones", donde los electrones de valencia se mueven libremente entre los átomos de mercurio, lo que resulta en fuerzas de cohesión fuertes entre sus moléculas, por ende esta fuerte cohesión contribuye a una alta tensión superficial en el mercurio[8]. Para el agua sucede un caso distinto, debido a que es una molécula polar por la diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno, lo que resulta en la formación de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua, los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces metálicos, pero aún así son relativamente fuertes en comparación con otras fuerzas intermoleculares, sin embargo, las fuerzas de cohesión entre las moléculas de agua no son tan fuertes como las del mercurio debido a la naturaleza polar de los enlaces de hidrógeno y a la estructura molecular del agua, esto resulta en una tensión superficial más baja en el agua en comparación con el mercurio. [8] Tensión que para el mercurio no se pudo comprobar en el laboratorio pero a esto nuevamente se le atribuye el alto error porcentual a errores sistemáticos en el diseño del experimento y en la elección de los materiales, pues para el cálculo del ángulo de contacto existen técnicas más costosas, aunque más precisas. Para finalizar se analiza que la aplicación de los conceptos de tensión superficial, junto con otros principios de la física de fluidos, tiene varias implicaciones importantes en la ingeniería agroindustrial algunos ejemplos son: ● Procesamiento de alimentos líquidos: El conocimiento de la tensión superficial y la capilaridad es esencial para diseñar equipos y sistemas de procesamiento que puedan controlar la transferencia de líquidos de manera eficiente, por ejemplo, en el llenado de envases o en la evaporación en equipos de deshidratación. ● Riego agrícola: La tensión superficial juega un papel crucial en el riego agrícola, especialmente en sistemas de riego por goteo o capilaridad. Comprender cómo la tensión superficial afecta la absorción y la distribución del agua en el suelo permite diseñar sistemas de riego eficientes que minimicen el desperdicio de agua y maximicen la disponibilidad de nutrientes para las plantas. ● Formulación de productos: La formulación de productos como emulsiones, dispersiones y recubrimientos requiere un entendimiento profundo de la tensión superficial y las fuerzas intermoleculares. Esto es importante para garantizar la estabilidad y la calidad de los productos durante su almacenamiento y manipulación. ● Diseño de equipos de separación y filtración: En la ingeniería agroindustrial, se utilizan diversos equipos de separación y filtración, como centrífugas, filtros y membranas, para purificar y concentrar productos líquidos. La comprensión de la tensión superficial y la adhesión de los líquidos a las superficies sólidas es esencial para optimizar el diseño y el rendimiento de estos equipos. ● Control de plagas y enfermedades: Aunque no parezca en la agricultura, el conocimiento de la tensión superficial y la adhesión de los líquidos es útil para el desarrollo de métodos de control de plagas y enfermedades. Por ejemplo, la formulación de productos fitosanitarios que puedan adherirse eficazmente a las hojas de las plantas puede mejorar la eficacia del tratamiento y reducir la cantidad de productos químicos necesarios. VII. CONCLUSIONES ● El análisis realizado sobre la tensión superficial del agua confirma la validez de la teoría que postula que la tensión superficial del agua es mayor que cero, ya que se requiere energía para aumentar la superficie de un líquido, un principio fundamental en la física de fluidos. ● Se destacan los factores que influyen en la tensión superficial, como las fuerzas intermoleculares
