Tensión superficial | Todo su concepto importante

Cohesión y Adhesión

En primer lugar, tratamos de comprender algunos términos útiles en el estudio de la tensión superficial. El líquido tiene propiedades como la cohesión. Cohesión es una propiedad en la que una molécula de líquido atrae a otra molécula más cercana. Adhesión es una propiedad en la que las moléculas de fluido son atraídas por el contacto de la superficie sólida con él. En resumen, podemos decir que la fuerza entre moléculas similares es la cohesión y la fuerza entre moléculas diferentes es la adhesión.

Pongamos un ejemplo.

Si dejamos caer una gota de mercurio en cualquier superficie, intenta formarse en gota porque la cohesión es mayor que la fuerza de adhesión. Recibirá un aviso de que las gotas de mercurio no se adhieren a la superficie sólida. El Mercurio intentará mantenerse alejado de la superficie sólida; no mojará la superficie sólida.

Ahora tomemos otro ejemplo si consideramos que las partículas de agua caen sobre la superficie. Se extenderá por toda la superficie del hormigón. Ocurre porque la fuerza adhesiva es más significativa que la fuerza cohesiva en ese caso. El ángulo de contacto entre el líquido y la superficie sólida puede describir la humectación y no humectación de la superficie.

Tensión superficial
Humectante y no humectante de líquido crédito Hisoki

Consulte la figura anterior de la interfaz de la superficie sólida y el gas líquido donde el líquido estará donde la superficie sólida cuando el ángulo sea inferior a 90 grados (π / 2). La humectación de la superficie aumenta al disminuir el ángulo. Si el ángulo es de más de 90 grados, el líquido no mojará la superficie sólida. El ángulo depende de la naturaleza de la superficie, tipos de líquido, superficie sólida y limpieza.

Si consideramos que el agua pura entra en contacto con la superficie limpia del vidrio. El ángulo es 0 (cero) grados en ese caso. Si agregamos impurezas en el agua: El ángulo aumentará con la adición de impurezas. Como hemos comentado, el mercurio es un líquido no humectante, por lo que el ángulo se encuentra entre 130 y 150 grados.

Tensión superficial

En líquido, las moléculas se encuentran debajo de la superficie libre. Cada molécula de líquido atrae a la molécula cercana. La fuerza de cohesión molecular es la misma en todas las direcciones. Todas las fuerzas son iguales en magnitud y opuestas en dirección. Entonces, se cancelará en líquido. Puede ser la razón del equilibrio en líquido. No hay ninguna fuerza resultante presente en el líquido.

Supongamos que consideramos las moléculas superiores de líquido que se encuentran en una superficie libre, ya que sabemos que no hay moléculas de líquido sobre ellas. Entonces, aquí, son atraídos por moléculas líquidas que se encuentran debajo de ellos. Estas moléculas de líquido de superficie libre sentirán la fuerza de tracción dentro del líquido. Esta fuerza actúa como fuerza elástica. El gasto por unidad de área de la superficie se llama tensión superficial.

La tensión superficial se denota por Sigma (σ). La tensión superficial se produce en la interfaz líquido-gas, interfaz líquido-líquido. La razón detrás de la tensión superficial es una atracción intermolecular debido a la cohesión.

Vamos a entenderlo en profundidad considerando algunos ejemplos prácticos,

  • Has visto una gota de líquido de forma esférica. La razón de su forma esférica es la tensión superficial.
  • Se puede notar que si echamos agua a fondo dentro del vaso. Incluso si el vaso está lleno, podemos agregar un poco de agua por encima del límite del vaso.
  • Suponga que experimentaremos con un tubo de vidrio delgado en la superficie del agua. Podemos notar rápidamente un aumento y depresión capilar dentro de un tubo de vidrio delgado.
  • Las aves pueden beber agua del cuerpo de agua debido a la tensión superficial.

Aunque la presión y la fuerza de gravedad son más altas que la fuerza de tensión superficial, la fuerza de tensión superficial juega un papel importante cuando hay superficie libre y dimensiones pequeñas. La unidad de tensión superficial es N / m. La magnitud de la tensión superficial depende de los siguientes factores:

  • Tipo de liquido
  • Tipo de estado circundante gas, líquido o sólido
  • La energía cinética de las moléculas.
  • Temperatura de moléculas

Si aumentamos la temperatura de una sustancia como un líquido, la atracción intermolecular está disminuyendo porque aumenta la distancia entre moléculas. La tensión superficial depende de la atracción intermolecular (cohesión). El valor de la tensión superficial para el líquido se toma para el aire como medio circundante,

La tensión superficial para la interfaz aire-agua es 0.073 N / m.

El valor de la tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura.

Capilar

Si se sumerge un tubo estrecho en el agua, el agua subirá dentro del tubo a un cierto nivel. Este tipo de tubo se llama tubo capilar, y este fenómeno se llama efecto capilar. Otro nombre del efecto capilar es el efecto menisco.

El efecto capilar se debe a la fuerza de tensión superficial. El ascenso y la depresión capilar se producen debido a la cohesión y la atracción intermolecular de la adhesión. La fuerza de adhesión entre la superficie del tubo y una molécula de agua es mayor que la fuerza de cohesión entre las moléculas de agua. Debido a esto, las moléculas de agua se pueden observar en forma cóncava en la superficie del tubo.

El peso del líquido sube o baja en un tubo de diámetro pequeño

= (Área del tubo * Subida o bajada) * (Peso específico)

= (π / 4 * d2* h) w

Componente vertical de la fuerza de tensión superficial

= σ cosθ * circunferencia

= σ cosθ * πd

Si consideramos el equilibrio, la fuerza hacia arriba equilibra la fuerza hacia abajo, por lo que la componente de la fuerza se da como,

(π / 4 * d2 * h * w) = σ cosθ * πd

H = (4 σ cosθ / wd)

Tubo capilar

Se puede observar desde un ángulo que si el ángulo está entre 0 y 90 grados, el valor de h es positivo, formación de forma cóncava y ascenso capilar. Si el ángulo está entre 90 y 180 grados, la h es negativa, formación de forma convexa y depresión capilar.

Si el líquido es mercurio, entonces el efecto es totalmente opuesto. En el caso de Mercurio, la fuerza de cohesión es más significativa que la fuerza de adhesión. Debido a esto, las moléculas de mercurio forman una forma convexa en la superficie del tubo.

El efecto capilar es inversamente proporcional al diámetro del tubo. Si desea evitar el efecto capilar, no debe elegir un tubo de diámetro pequeño. Se recomienda el diámetro mínimo del tubo para el agua y el mercurio 6mm. La superficie dentro del tubo debe estar limpia.

Evaporación

La evaporación se define como un cambio de estado de líquido a gaseoso. La tasa de operación depende de la condición de presión y temperatura del líquido.

Considere un ejemplo,

Supongamos que el líquido está dentro del recipiente cerrado. En este recipiente, las moléculas de vapor poseen cierta presión. Se llama presión de vapor. Si la presión de vapor comienza a disminuir, la molécula comienza a salir de la superficie del líquido muy rápido, este fenómeno se conoce como hirviendo.

Al hervir, las burbujas se forman dentro del líquido. Esta burbuja viaja cerca de la zona de mayor presión y colapsa debido a una mayor presión. Estas burbujas que colapsan ejercen una presión significativamente mayor alrededor de 100 de presión atmosférica. Esta presión provoca la erosión mecánica del metal. Comúnmente, este efecto se llama La cavitación. Se requiere estudiar y diseñar maquinaria hidrodinámica considerando Cavitación.

La cavitación tiene ambos lados beneficiosos y no beneficiosos. Como sabemos que la cavitación causa erosión en el metal, no es beneficiosa

Algunas áreas de investigación nuevas sugieren recientemente que la cavitación hidrodinámica es útil para algunos tratamientos químicos y de aguas residuales. Entonces, aquí, la cavitación hidrodinámica es un concepto beneficioso.

La presión de vapor del líquido depende firmemente de la temperatura: aumenta con el aumento de temperatura. A la temperatura de 20 ° C, la presión de vapor del agua es 0.235 N / cm2. La presión de vapor de mercurio es 1.72 * 10-5 N / cm2.

Si queremos evitar la cavitación en maquinaria hidráulica: No debemos permitir que la presión del líquido caiga por debajo de la presión de vapor a la temperatura local.

Es posible que haya pensado muchas veces por qué se usa el mercurio dentro del termómetro y el manómetro. ¿Por qué no otro líquido?

Tu respuesta está aquí; el Mercurio tiene el valor más bajo de presión de vapor con alta densidad. Hace que Mercury sea adecuado para su uso en termómetros y manómetros. 

Encuentre el efecto capilar en un tubo de 4 mm de diámetro. Cuando el liquido es agua

Preguntas y respuestas

1) ¿Cuál es la diferencia entre cohesión y adhesión?

La cohesión es una fuerza de atracción de moléculas entre la misma materia, mientras que la adhesión es una atracción entre moléculas de diferente materia.

2) Se intenta que el Mercurio se mantenga alejado de la superficie, ¿por qué?

En Mercurio, la fuerza de cohesión es mayor que la fuerza de adhesión. Debido a esto, el mercurio se denomina líquido no humectante.

3) ¿Cuál es la condición para humedecer y no humedecer el líquido con la superficie?

El líquido mojará la superficie sólida a menos de 90 grados. Si el ángulo es superior a 90 grados, el líquido no mojará la superficie sólida.

4) Explique sobre la tensión superficial.

Las moléculas de líquido en la superficie libre son atraídas por moléculas de líquido que se encuentran debajo de ellas. Estas moléculas de líquido de superficie libre sentirán la fuerza de tracción dentro del líquido. Esta fuerza actúa como fuerza elástica. El gasto por unidad de área de la superficie se llama tensión superficial. La tensión superficial se denota por Sigma (σ). La tensión superficial se produce en la interfaz líquido-gas, interfaz líquido-líquido. La razón detrás de la tensión superficial es una atracción intermolecular debido a la cohesión.

5) Dé algunos ejemplos prácticos de tensión superficial.

  • Se puede notar que si echamos agua a fondo dentro del vaso. Incluso si el vaso está lleno, podemos agregar un poco de agua por encima del límite del vaso.
  • Suponga que experimentaremos con un tubo de vidrio delgado en la superficie del agua. Podemos notar fácilmente una elevación y depresión capilar dentro de un tubo de vidrio delgado.
  • Las aves pueden beber agua del cuerpo de agua debido a la tensión superficial.

6) ¿Cuál es la unidad de tensión superficial?

La unidad de tensión superficial es N / m.

7) Indique el valor de la tensión superficial para la interfaz aire-agua y aire-Mercurio a presión y temperatura estándar.

La tensión superficial para la interfaz aire-agua es de 0.073 N / m.

La tensión superficial de la interfaz aire-Mercurio es de 0.480 N / m.

8) ¿Qué es el efecto capilar?

Si el tubo estrecho se sumerge en el agua, el agua subirá dentro del tubo a un cierto nivel. Este tipo de tubo se llama tubo capilar y este fenómeno se llama efecto capilar.

9) ¿Existe alguna relación entre el efecto capilar y la tensión superficial? Si es así, ¿qué?

Si. El efecto capilar se debe a la fuerza de tensión superficial. El ascenso y la depresión capilar se producen debido a la atracción intermolecular de la cohesión y la adhesión.

10) Definir: ebullición, cavitación

Ebullición: las burbujas de vapor se forman dentro del líquido debido al cambio de temperatura y presión. La ebullición es un cambio de estado) de líquido a vapor.

Cavitación: La formación de una burbuja de vapor dentro de la maquinaria debido a que la presión del líquido cae por debajo de la presión de vapor saturado.

Preguntas de respuestas múltiples

1) Para humedecer líquido, el ángulo de contacto θ debe ser ________

(a) 0 (b) θ <π / 2                           (c) θ> π / 2 (d) Ninguno

2) Para líquido no humectante, el ángulo de contacto θ debe ser ________

(a) 0 (b) θ <π / 2 (c) θ> π / 2                            (d) Ninguno

3) El valor de tensión superficial disminuye con __________

(a) Presión constante

(B) Aumento de temperatura

(c) Aumento de la presión

(d) Disminución de la temperatura

4) Si el valor del ángulo se encuentra entre 0 y 90, ¿qué ocurre en el efecto capilar?

 (A) h es positivo con formación de forma cóncava

(b) h es negativo con formación de forma cóncava

(c) h es negativo con formación de forma convexa

(d) h es positivo con formación de forma convexa

5) ¿Por qué se usa mercurio en termómetros y manómetros?

(a) Alta presión de vapor y baja densidad

(b) Alta presión de vapor y alta densidad.

(c) Baja presión de vapor y baja densidad

(D) Presión de vapor baja y alta densidad.

6) ¿Qué es aprox. colapso de la presión de las burbujas en los fenómenos de cavitación?

(a) Alrededor de 20 presiones atmosféricas

(b) Alrededor de 50 presiones atmosféricas

(c) Alrededor de 75 de presión atmosférica

(D) Alrededor de 100 de presión atmosférica

7) ¿Cuál es el valor de la presión de vapor del agua a una temperatura de 20 ° C?

(a) 0.126 N / cm2

(b) 0.513 N / cm2

(C) 0.235 N / cm2

(d) 0.995 N / cm2

8) ¿Cuál es el valor de la presión de vapor de mercurio a una temperatura de 20 ° C?

(a) 1.25 * 10-5 N / cm2

(B) 1.72 10 *-5 N / cm2

(c) 1.5 * 10-5 N / cm2

(d) 1.25 N / cm2

Conclusión

Este artículo se presenta para comprender el concepto de tensión superficial, efecto capilar, cavitación, evaporación y sus efectos. Algunos de los ejemplos prácticos se incluyen en este artículo para representarlo de manera práctica. Se hizo un esfuerzo para que relacionara el concepto de mecánica de fluidos con su vida diaria.

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Sobre Deepakkumar Jani

Soy Deepak Kumar Jani, estoy cursando un doctorado en energía mecánica renovable. Tengo cinco años de experiencia docente y dos de investigación. Mi área temática de interés es la ingeniería térmica, la ingeniería automotriz, la medición mecánica, el dibujo técnico, la mecánica de fluidos, etc. He presentado una patente sobre "Hibridación de energía verde para la producción de energía". He publicado 17 artículos de investigación y dos libros.
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Aparte de lo académico y la investigación, me gusta vagar por la naturaleza, capturar la naturaleza y crear conciencia sobre la naturaleza entre las personas.
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