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Capilaridad De Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegación, búsqueda
La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia para absorber un líquido. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del líquido. Esto causa que el menisco tenga una forma cóncava cuando el líquido está en contacto con una superficie vertical. En el caso del tubo delgado, éste succiona un líquido incluso en contra de la fuerza de gravedad. Este es el mismo efecto que causa que los materiales porosos absorban líquidos.
Tubo capilar [editar] Efectos de capilaridad Efectos de capilaridad
Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar; cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el agua, se forma un menisco cóncavo; la tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza de la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares.
El peso de la columna líquida es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo, por lo que un tubo angosto succionará el líquido más arriba que un tubo ancho. Así, un tubo de vidrio de 0,1 mm de diámetro levantará una columna de agua de 30 cm. Cuanto más pequeño es el diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada. En capilares de 1 μm (micrómetro) de radio con una presión de succión 1,5*103 hPa (hectopascal = hPa = 1,5 atm), corresponde a una altura de columna de agua de 14 a 15 m.
Dos placas de vidrio que están separadas por una película de agua de 1 μm (micrómetro) de espesor, se mantienen unidas por una presión de succión de 1,5 atm. Por ello se rompen los portaobjetos humedecidos al intentar separarlos.
Entre algunos materiales, como el mercurio y el vidrio, las fuerzas intermoleculares del líquido exceden a las existentes entre el líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco convexo y la capilaridad trabaja en sentido inverso.
Las plantas, por capilaridad, succionar agua a del terreno, aunque las plantas más grandes requieren de la transpiración para desplazar la cantidad necesaria de agua hasta las hojas, o allí donde se precise.
Ley de Jurin [editar]
La ley de Jurin define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido y la fuerza de ascensión por capilaridad.
La altura h en metros de una columna líquida está dada por:
h={{2T\cos{\theta}}\over{\rho g r}}
donde:
T = tensión superficial interfacial (N/m) θ = ángulo de contacto ρ = densidad del líquido (kg/m³) g = aceleración debido a la gravedad (m/s²) r = radio del tubo (m)
Para un tubo de vidrio en el aire a nivel del mar y lleno de agua,
T = 0,0728 N/m a 20 °C θ = 20° ρ = 1000 kg/m³ g = 9,80665 m/s²
entonces la altura de la columna está dada por:
h\approx {{1.4 \times 10^{-5} m^{2}}\over r}.
LA CAPILARIDAD DE LOS LÍQUIDOS
Como experiencia clásica común a todos los libros de texto de colegio, bachillerato y universidad se tiene la siguiente:
En un recipiente se derrama agua (tintada de un cierto color para poder ver con mayor claridad el efecto que se produce). Se introduce en el recipiente un tuvo de cristal alargado y estrecho. capilaridad Inmediatamente parte de agua del recipiente ascenderá por el tubo hasta alcanzar una altura determinada, esta altura será tal que el peso del líquido que quede dentro del tuvo sea igual a la tensión superficial de dicho líquido. Si cogemos un tubo con un mayor diámetro el agua que ascenderá por él será menor que en el caso anterior por que para una misma altura el tubo de mayor diámetro contiene una mayor cantidad de líquido. Si se tuviese un tubo tan fino como el de un cabello, la cantidad de líquido que ascendería sería muchísimo mayor, por ello a este fenómeno se le conoce como Capilaridad líquida.
Si tomamos un tubo de cristal grueso comunicado con uno fino y echamos agua en él se verá como el tubo grueso alcanza menos altura que el fino. Si hacemos la misma prueba con mercurio en vez de con agua resultará que el tubo grueso alcanza más altura que el fino además en el primer caso se puede ver que el agua se une con la pared del tuvo de forma cóncava, mientras que con el mercurio lo hace de forma convexa. LA TENSIÓN SUPERFICIAL
Ya hemos mencionado en el apartado anterior el fenómeno de la capilaridad, 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. 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. cohesion 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. adherencia
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. 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.emos pues como en el efecto de la capilaridad de los líquidos actua la adherencia y la cohesión.
Como ejemplo de cómo actuan 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 esten o no en las mismas condiciones tal y como se muestra el la siguiente ilustración. bolas de caucho LA TENSIÓN SUPERFICIAL
Conocemos estas propiedades pero ¿qué relación tienen con la generación de pompas de jabón?. Este apartado desvelará este interrogante.
Si cogemos una cantidad muy pepeña de agua y la dejamos caer, chocará contra el suelo sin más, pero si en vez del suelo ponemos una pastilla de keroseno, la gota que caiga se contrae sobre el keroseno. ¿Qué ocurriría si el peso de la gota de agua dejase de actuar? en este caso la gota sólo notaría el efecto de la tensión superficial y esta trataría de encogerla de modo que redujese el área al máximo, de echo se convertiría en una bola perfecta ya que es la forma de reducir ese área al máximo. Así, por lo tanto, nos encontramos que cuanto menos actua el peso en un cuerpo más se dejará notar el efecto de la tensión superficial sobre él. Para mostrar el efecto de la fuerza del peso sobre la superficie del líquido, veamos el clásico ejemplo de Plateu.
El alcohol es más ligero que el aceite y el agua es más pesado, pero si se hace una mezcla de alcohol con agua esta mezcla resulta del mismo peso que el aceite y por consiguiente en este caso dejará de actuar el peso, no tendiendo el aceite a ir ni hacia arriba ni hacia abajo al sumergirlo en la mezcla. Al realizar esta prueba se verá como el aceite adopta la forma de un circulo perfecto, tal y como se ve en la ilustración. aceite en agua
Sabemos como era de esperar que cuando no se nota el efecto del peso, la tensión superficial hace que el líquido de la superficie tienda a reducirse tomando forma de circulo perfecto. Sabemos pues por qué las pompas de jabón tienen forma esférica. Vamos a ver ahora por que se generan las pompas propiamente dichas, es decir, por que se escapan de la superficie en forman esférica. Para ello presentamos el siguiente caso desarrollado por Plateu:
En la mitad de una caja coloco un eje vertical sobre un disco sobre el cual se puede adherir aceite. De este modo si hago girar lentamente el disco sobre el eje, también girará el aceite adherido a él. Si voy aumentando la velocidad de giro, el aceite tenderá a salir volando en todas las direcciones, pero la tensión superficial se lo impedirá. El resultado es que la bola comienza a achatarse en sus polos como si tratara del globo terraqueo. Si seguimos aumentando la velocidad, la bola de aceite tiende a escaparse hasta que al final una parte del disco (aceite adherido a él) se rompe y se contrae de nuevo sobre la bola. Si se da una velocidad suficientemente veloz, el disco se romperá en una serie de bolas, proporcionando una bella panorámica donde se ve una bola central y una serie de bolas de diferentes tamaños viajando sobre ella en la misma dirección y aunque las fuerzas que actuan son diferentes, parece que se tiene el sol y los planetas girando en torno suyo, según la figura siguiente. giro aceite
La bola grande puede ser moldeada debido a la elasticidad de la superficie líquida, si el efecto del peso deja de actuar sobre ella. Este efecto es practicamente nulo en el caso de las pompas de jabón, debido a que el peso de su capa es insignificante (su grosor puede rondar cifras de micras y nanometros). Acabadas estas explicaciones, ya sabemos por qué las pompas de jabón tienen esa forma esférica tan perfecta debido a que la elacticidad de su piel trata de reducir su área lo máximo posible y la superficie que minimiza el área es el de una esfera.
Como resumen tendriamos a grandes rasgos lo siguiente: Generalmente el peso de los líquidos, especialmente si se trata de grandes cantidades, es lo suficientemente grande como para que se deje notar la dévil fuerza de la tensión superficial. Si se elimina el efecto del peso, bien creando una mezcla que tenga el mismo peso que el líquido en el que se sumerge o bien soplando una pompa de jabón donde su peso es despreciable, se formarán pequeñas bolas ya que aunque la tensión superficial siga siendo constante se notará su acción moldeadora. Direfentes líquidos tienen diferentes valores de tensión superficial.
POMPAS DE JABÓN, SU TENSIÓN Y CURVATURA
Ya se comentó que la tensión superficial del jabón era menor que la del agua. Se podía comprobar fácilmente con la altura alcanzada por los tubos capilares de ambos líquidos. Una pompa de jabón consiste en una fina fina lámina de líquido con dos superficies cada una de las cuales puede estirarse o contraerse alrededor de una onza por pulgada1, así en total se puede contraer en dos onzas por pulgada. Este estiramiento de la piel de la pompa puede apreciarse con las siguientes pruebas.
Se ata un hilo a un aro de forma que quede libre para poder desplazarse e introducimos dicho aro en una solución hilo sobre agua-jabon de agua con jabón. En contacto con el aro se formará una lámina que se irá estirando hasta cubrir todo el aro. El hilo se podrá mover a su libre albeldrio, pero si se rompe la
lámina por uno de los lados, inmediatamente el hilo se estirará hacia el lado contrario teniendo forma de parte de un circulo perfecto, ya que en ese lado hace que la superficie sea tan grande como sea posible, haciendo por el otro lado (donde está la lámina de jabón) más pequeña como pudiese (ver ilustración).
Cuando soplamos la solución agua-jabón con un aro de plastico o un tuvo, vemos como se esparcen por el aire pompas de distinto tamaño, este tamaño o curvatura de las pompas depende de la presión que el aire interno ejercen a las paredes de la lámina de las pompas. Para saber si a una mayor presión le corresponde una mayor o menor curvatura realizamos el siguiente experimento (ilustración siguiente). Se cogen dos tuvos cada uno de ellos con un grifo, se unen los dos tuvos a travér de un tercero con otro grifo para controlar la comunicación entre ellos. A continuación creo una pompa en uno de los tuvos (en este caso en el izquierdo) y cierro el grifo 1. Haré una segunda pompa y cerraré el grifo 2. El tamaño de una de las pompas la haré de modo que una sea ligeramente superior a la otra. Si la presión fuese mayor en la pompa de mayor tamaño, al abrir el grifo 3 circularía aire desde la mayor a la menor hasta que ambas tubiesen el mismo tamaño, es decir, hasta que tubiesen la misma presión. Abrimos el grifo 3 y se ve como el aire circula desde la pompa de menos tamaño hasta la de mayor tamaño, tal y como lo marcan las flechas. Se tiene pues que: Las pompas de menor tamaño soportan una mayor presión que las de más tamaño. La presión dentro de la pompa sólo depende de su curvatura.
Si pensamos que las lineas es un caso extremo de curvatura, tendremos que a mayor tamaño que tenga una presion esfera, ,menor será su curvatura. Si se hiciese agrandar un circulo cada vez más llegaría un momento en que su borde no se distinguiría de una línea recta, diciendose en ese caso que no tiene curvatura. Un claro ejemplo es el globo terreste que todos conocemos su forma esférica, pero a nosotros desde nuestra perspectiva nos parece totalmente plano (mucho tardó el hombre en darse cuenta que la tierra era redonda). Por todo lo dicho hasta este momento, las pompas grandes tiene menos presión y su curvatura también es menor mientras que con las pompas pequeñas ocurre totalmente lo contrario. La presión y la curvatura aumentan o disminuyen juntas en el caso de pompas de jabón.
La esfera no es la única forma en la que nos podemos encontrar a las pompas de jabón, bajo ciertas circunstancias pueden adoptar otras dispares. Por ejemplo si se cogen dos aros, se juntan y se sumergen en la solución de jabón, podremos separarlos porteriormente y veremos como la piel de la pompa se irá estirando para adquirir una forma cilindrica. Decíamos antes que la presión dependía únicamente de la curvatura de la pompa. En este caso también se cumple este precepto ya que la curvatura de un cilindro es la de la esfera sobre la cual se genera. Podríamos pensar que las pompas pueden tener cualquier tamaño, pero no es así, ya que llega un momento en el que la superficie se vuelve inestabe. Estudiemos los siguientes casos para demostrarlo.
Cogemos dos aros los sumergimos en agua y los aupamos para formar un cilindro, si seguimos estirando se comprueba como el cilindro forma una cintura cóncava hacia su interior, si rompemos la lámina por la parte de arriba para que circule el aire libremente por el interior del cilindro, la presión en el interior será nula. Si la presión no existe, la curvatura en este caso debería ser nula y vemos que aparece una cintura sobre el cilindro (ver ilustración ). Si se examina más profundamente la forma generada vemos como en los dos lados del cilindro se adopta la misma cintura hacia el interior, con la misma extensión. La curvatura hacia el interior hará que la presión dentro sea menor y la catenia curvatura hacia fuera la hace mayor. Como las dos son iguales, se nivelan y no hay presión alguna en la pared. Una curva de este tipo en el que en cada punto la curvatura es igual que en su lado opuesto es matemáticamente conocida como el catenaria2 o tambien la superficie sin curvatura.
La experiencia realizada con las pompas para ver su presión respecto de la curvatura, la repetimos para el caso de pompas cilindricas (siguente ilustración) y se ve como circula el aire desde la parte ahuecada a la abombada hasta que se igualan. Si se repite el mismo caso, pero haciendo que la longitud de los cilindros sea del doble de su diámetro, el sentido del flujo varía, la ahuecada se unde presion más y la abombada se ensancha. Si se prueba con varios tamaños se ve que este fenómeno ocurre cuando la altura es la mitad de la anchura del cilindro. Si ahora colocasemos el primer cilindro debajo del primero (ver ilustración) ocurriría que la nueva pompa no podría durar mucho tiempo, ya que si una parte se contrayera incluso muy poco, la presión aumentaría, cilindro por lo que desde la parte estrecha se soplaría aire hacia la parte ancha, hasta que las caras de las dos superficies se encontrasen, rompiendose y formando dos pompas separadas. El tamaño en el que la pompa cilíndrica deja de estar estable es aproximadamente tres veces su diámetro.
Al sumergir un tuvo en la solución de jabón y sacarlo rápidamente, se formarán pompas de diverso tamaño. El proceso en la genereción de las pompas ha sido tan veloz que no lo hemos podido apreciar. Si
