I.E.S. LAS LAGUNAS. ¿SABEMOS QUÉ ES LA TENSIÓN SUPERFICIAL?
¿Sabemos qué es la tensión superficial?
| | | Características: IES Las Lagunas (Rivas-VaciaMadrid) Avda. Gabriel G. Márquez, s/n 28529 Rivas VaciaMadrid Telf.: 91 6660003 Autores: Fernando Ignacio de Prada Pérez de Azpeitia y José Antonio Martínez Pons | ||
| Física en Acción Los días 24, 25 y 26 de septiembre de 2004 tuvo lugar la fase final del certamen Física y Matemáticas en acción, convocado y organizado por las Reales Sociedades Españolas de Física y Matemáticas. Retrataba de la 5ª edición del certamen, aunque era la primera vez que se celebraba bajo el epígrafe Física + Matemáticas, ya que en las anteriores ediciones su título había sido Física en Acción y se refería sólo a esta disciplina. El Certamen tuvo lugar en al Parque de las Ciencias de Granada, abierto expresamente para el evento. En estos certámenes se trata de que profesores e investigadores muestren su trabajo en dirección a mejorar la didáctica de sus respectivas materias y sobre todo a divulgar sus conocimientos, a la par que servir de foro de intercambio de opiniones y experiencias. El certamen, nacional, comprendía numerosas secciones relacionadas con la matemática, la física y la tecnología, siendo uno de los más espectaculares el de Demostraciones de Física. Diez proyectos alcanzaron la fase final de los cuales sólo dos presentados por centros de la Comunidad de Madrid (hubo otros en otros apartados), el titulado Un paseo sorprendente por la magia de la Física de los profesores Jorge Barrio y Carlos Arteta, de Coslada y el que presentamos nosotros, titulado ¿Sabemos que es la tensión superficial?. En él presentábamos un conjunto de experiencias sencillas destinadas a la comprensión y media de un fenómeno omnipresente como es la tensión superficial. Además se acompañaba de un experimento histórico, su origen se debe a Galileo, adaptado y modificado en que se pone en juego la importancia de los diferentes regímenes de flujo de los fluidos. El público pudo visitar las casetas donde se exponían los distintos proyectos finalistas durante los tres días que duró el certamen. Principales experiencias demostradas en nuestro stand Experimento histórico MATERIAL NECESARIO 2 dos vasos de vino de boca no muy ancha, iguales. 1 Tarjeta de crédito o similar lisa. 100 cm3 de vino tinto y otros tantos de agua. Este experimento se remonta a Galileo Galilei aunque no parece que el italiano diera una explicación completa y satisfactoria.
Consiste en trasvasar el contenido de un vaso de vino tinto y el de uno de agua a través de una tarjeta de crédito, sin que se mezclen. Par ello se juega con la diferente densidad de ambos líquidos y con el carácter laminar del flujo. Se llenan ambos vasos, se cubre el vaso de agua con la tarjeta, invierte y se coloca sobre el vaso de vino entonces se retira un poco la tarjeta de modo que pase una fina vena de vino y se produce el trasvase. Si se retira demasiado la tarjeta el flujo se hace turbulento y se produce la mezcla. El hecho de elegir vino tinto simplemente es porque así se ve mejor lo que ocurre. Explicación: En el experimento intervienen dos hechos físicos, por un parte la diferencia de densidades entre el agua y el vino, que como es sabido es esencialmente una disolución de etanol en agua, por el principio de Arquímedes debe flotar, pero esta explicación no es suficiente puesto que como es bien sabido el vino se mezcla fácilmente con el agua. Es preciso recurrir a otro fenómeno este está relacionado con el flujo de los fluidos. Cuando un flujo fluye lo puede hacer de dos maneras, en una el flujo se desliza como si se tratara de láminas yuxtapuestas, esta especie de láminas o venas de corriente, deslizan sin mezclarse, se dice entonces que el flujo es laminar. Sin embargo en otras circunstancias las líneas de corriente se entremezclan, se dice que le flujo es turbulento.
De los cuatro parámetros que intervienen, la densidad y la viscosidad no son controlables, tampoco lo es directamente la velocidad, de modo que el único parámetro que queda es el tamaño de la rendija. Se trata pues de mantener un régimen laminar en la transferencia y ello implica un diámetro pequeño, por ello la rendija debe ser estrecha. Entonces se produce un doble flujo laminar vino hacia arriba y agua hacia abajo Sin embargo, si la rendija es ancha entonces el régimen se pasa a turbulento y se mezclan los líquidos. Sin embargo si se desea una mezcla rápida entre dos líquidos, por ejemplo para preparar un cóctel o un cuba libre el factor que puede controlarse es la velocidad, aumentarla se consigue agitando la coctelera o removiendo con una cucharilla. La tendencia a mezclarse entre el agua y el vino por supuesto subsiste y pude verse como la superficie de separación entre ambos no es nítida, sino difusa, se esta produciendo un fenómenos de difusión entre ambos, posible aplicación de la ley De Dic, pero esta es otra historia... Tensión superficial Las experiencias eran de dos tipos, en unos se ponía de manifiesto de forma observacional alguitas propiedades de la tensión superficial, mientras que en otro bloque se media ésta.
Experiencia 1. Objetos flotantes: Cualquiera que haya observado la superficie de una charca en verano observara la presencia de unos insectos de patas largas que parecen caminar sobre las aguas, son los vulgarmente llamados zapateros. Si se observa bien se verá como no flotan sino que se mantienen sobre la superficie. Otros animales, como el lagarto basilisco son incluso capaces de correr sobre el agua a gran velocidad. Es posible situar agujas, clips, modelos de zapatero, monedas de aluminio o cuchillas de afeitar. Se trata de depositarlos con sumo cuidado de modo que no se rompa la membrana superficial. La mejor técnica es depositar el objeto sobre cuadrado de papel de filtro y dejar que este se empape, con lo que se hunde dejando el objeto sobre la superficie. Si se observa con cuidado, se ve que efectivamente, la superficie del agua parece doblarse bajo el objeto. Si se ponen varios objetos estos tiende a juntarse, como si de una cama elástica se tratara, sin embargo, basta un golpecito sobre ellos para que se hundan o echar unas gotas de detergente líquido. (Sustancia tensoactiva o surfactante). Si se echa una gota de aceite al lado por ejemplo de una aguja depositad sobre el agua, esta se desplaza ¿Hacia qué lado? Experiencia 2. Efecto de la temperatura: Si se depositan varias monedas iguales en un recipiente sobre una placa calefactora, se lastra cada una de ellas con un lastre diferente, por ejemplo perdigones de plomo, levemente aplastados y se pone en marcha el calentador, s e observara como progresivamente se irán hundiendo las monedas, de más pesada a más ligera. Experiencia 3. El test de Hay Se utiliza con frecuencia para detectar anomalías en el sistema digestivo y excretor caracterizadas por la presencia de bilis en la orina aprovechando el carácter tensoactivo de esta. Si se vierte polvo de azufre sobre una muestra de orina normal, el azufre permanece en la superficie sin embargo, en la orina de un paciente afectado, se hunde. (En la práctica docente se simula la orina utilizando líquidos de diferente tensión superficial, concretamente agua y alcohol etílico a los que se añade un poco de colorante amarillo, que sirven de prueba en blanco y problema, respectivamente). Se puede recordar que algún animal se defiende de sus depredadores lanzando un chorro de sustancia tensioactiva al medio que le rodea. Experiencia 4 Si se humedece ligeramente con agua un vidrio porta de microscopio y se adhiere sobre él otro es muy difícil separarlo (en el fenómeno no interviene solo la tensión superficial) sin embargo, si se realiza el mismo experimento con una sustancia no polar, como la acetona la adherencia es mucho menor. Experiencia 5. Arena mágica y polvo de licopodio Se vende un cierto producto granuloso con curiosa propiedades respecto al agua. Suponemos que es arena recubierta de un producto intensamente hidrófobo. Una gota de agua depositada sobre el adquiere casi esférica, con un comportamiento semejante a la mercurio. Todos estos fenómenos se deben a la tensión superficial. Ésta es consecuencia de las fuerzas de cohesión interna de las moléculas del fluido. Son de corto alcance por lo que solo relacionan las moléculas próximas. En el seno del fluido se compensan, dando un resultante nula pero en las proximidades e la superficie, puesto que disminuye el número de moléculas por encima dan una resultante hacia adentro que tiende a que la superficie sea la menor posible. Experiencias Cuantitativas Existen muchos modos para medir la tensión superficial mayoría requiere un instrumental delicado y bastante cuidado, sin embargo aquí se proponen algunos métodos relativamente sencillos y que dan buenos resultados. 1.- Medida directa: Se precisa un disco de aluminio, puede ser, por ejemplo, la contratapa de un bote de leche en polvo, adecuadamente aplanado. El disco se deposita sobre le liquido con cuidado y se le van añadiendo pequeños pesas, pueden ser, por ejemplo perdigones hasta que se hunde, conviene repetir el experimento varias veces.
Se saca del agua el disco, la pesas se secan y se mide la masa del conjunto Evidentemente la fuerza de tensión es igual al peso de modo que, λπD = mg => λ = mg/πD donde λ es el coeficiente de tensión superficial, m , la masa del conjunto, g la aceleración de gravedad y D el diámetro. Este ejercicio como todos los que continúan es un excelente método de revisión del manejo de unidades.
2.- Masa de la gota. En los líquidos que mojan cuando se deja caer una gota de un cuentagotas, la gota crece hasta que su peso es igual a la tensión superficial, en este momento la gota cae. Según la ley de Tate el peso de la gota es proporcional al radio del tubo y al tensión superficial de líquido Si se conoce la masa de la gota y el radio del cuentagotas, el cálculo es inmediato, sin embargo la gota no se rompe exactamente en la boca del cuentagotas, por lo que es preciso introducir un factor de corrección f que depende de la relación entre el radio del cuentagotas y la raíz cúbica del volumen de la gota.
Se precisa una bureta o un cuentagotas, una pequeña cápsula y una balanza con precisión de cg. Se toma un determinado volumen de agua con el que se calibra el aparato. Se deja caer el volumen en la cápsula, se cuentan las gotas y se toma nota de su masa. El cálculo del coeficiente de T.S. es inmediato. Se procede igual con el líquido problema. Un modo de evitar el calibrado es aplicar la ecuación (1) a un mismo volumen de dos líquidos diferentes, vertido con el mismo gotero entonces.
3.- Desprendimiento del menisco Se llama adherencia a la fuerza que adhiere el líquido al sólido, se llama cohesión la que une entre sí las moléculas del líquido. Si la segunda es mayor que la primera, el líquido no moja, sin embargo en caso contrario, si formando una curca típica, el menisco. Si se intenta separa sólido y líquido la fuerza que primero se supera es la de cohesión. Esta propiedad se aprovecha para medir la tensión superficial. Se trata de medir la fuerza necesaria para separa un anillo biselado o un vidrio de reloj de la superficie del líquido problema. Se precisa una placa Petri, un dinamómetro de precisión y una plataforma regulable. Para la medida se deposita el anillo perfectamente horizontal tocando la superficie del líquido, después, suavemente se va haciendo descender la plataforma. Se observa como el registro del dinamómetro aumenta., la tensión es máxima cuando el menisco se rompe.
Con este mismo diseño se puede comprobar de forma cuantitativa la influencia de diferentes factores: Temperatura: con un mismo líquido se realizan medidas a diferentes temperaturas Concentración de sales: Partiendo de un mismo líquido, se mide la tensión a diferentes concentraciones de una sal. Tensioactivos: Se añade la líquido problemas diferentes cantidades de un tensioactivo.( Etanol, detergente líquido etc). Es inmediato comprobar que el coeficiente de tensión superficial es igual a la diferencia entre esta tensión máxima, F, y el peso del anillo, P; dividido por dos veces la longitud del anillo (radio interior aproximadamente igual al exterior). Los métodos expuesto y en la forma en que han sido expuesto son más imprecisos que otros métodos pero son los más aplicables con los medios disponibles (Por ejemplo, el último método descrito debería hacerse con una anillo de platino, previamente calentado al rojo) En cualquier caso, es muy importante cuidar al máximo la limpieza del instrumental ya que pequeñas trazas de grasa, por ejemplo, pueden perturbar mucho los resultados. | ||||
turbulento.
Donde m es la masa de una gota, r el radio del cuentagotas, ρ la densidad
