TENSION SUPERFICIAL
CONCEPTO
Es importante
saber que la tensión superficial es también llamada tensión de superficie o
energía de interfaz o bien todavía energía de superficie. Es una fuerza que existe al nivel de toda
interfaz entre dos medios diferentes (entre un sólido o un líquido y un gas).
Entre medios idénticos: dos
sólidos, dos líquidos, o también entre un líquido y un sólido es generalmente
llamado: la tensión interfacial.
La tensión superficial
permite a la gota de agua de no extenderse sobre una hoja, o a ciertos insectos
marchar sobre el agua, o bien todavía la tensión superficial permite esta forma
abombada del agua en un vaso colmado con la noción de capilaridad.
La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a
cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en
la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a
fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula
tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay
una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior
del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva
hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a
la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas.
Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en
un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con
dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que
podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas
que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el
líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas
en su superficie.
Enérgicamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor
energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del
sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número
de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el
mínimo posible.
Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave
que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el
área por la ecuación de Euler- Lagrange. De esta forma el líquido
intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado
de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su
potencial gravitacional.
La tensión superficial se encuentra dentro de los fenómenos de superficie y
esta es la tendencia que posee un líquido para disminuir su extensión hasta
llegar a obtener una energía superficial baja lo cual hará que este sea
estable. En la actualidad se ha permitido demostrar que para determinar la
medición correspondiente a la tensión superficial es necesario considerar la
fuerza, la presión y la deformación que esta puede presentar. En general es la
fuerza producida por una superficie que se encuentra dividida por la longitud
del borde de la misma, es decir su perímetro. Se le define también como “la
fuerza que una superficie ejerce sobre un contorno, perpendicularmente a
él, dirigida hacia el seno de la superficie y tangencialmente a ella”.
(J. Drelich)
FUERZAS
INTERMOLECULARES
Las moléculas de un fluido (líquido o gas) ejercen,
entre ellas, fuerzas de atracción o de repulsión (como para la fuerza
electrostática). Hay que suponer que un cuerpo líquido puro es constado por un
solo tipo de moléculas. Es muy evidente que estas moléculas ejerzan entre ellas
una fuerza de atracción porque de otro modo no formarían un solo y único
líquido (una sola fase).
INTERFAZ
LÍQUIDO Y GAS
El gas ejerce una presión sobre el
líquido porque sus moléculas (del gas) ejercen una atracción o una repulsión
sobre las moléculas en la superficie del líquido. Pero es muy pequeño porque el
gas tiene una densidad muy débil con relación al líquido. Podemos, pues, decir
que la presión del gas, la atracción por el interior del líquido, y el peso
directamente influyen en la forma de la superficie del líquido. La pompa de
jabón es al principio un pellejo líquido sometido a la presión del gas a los
dos lados del pellejo y este líquido debe tener fuerzas de atracción
suficientemente fuertes para no estallar.
INTERFAZ
LIQUIDO Y LIQUIDO
En una
interfaz líquido / líquido, hablamos de líquidos miscibles o de líquidos no
miscibles. Si dos líquidos son miscibles se mezclan para formar sólo una fase,
si son no miscibles formarándos fases muy distintas como el aceite y el agua
por ejemplo.
Las
moléculas de líquidos no miscibles sufren de dos fuerzas: una atracción al
interior "de ellas mismas" y una repulsión con relación a las
moléculas del otro líquido
La forma de la interfaz líquido / líquido es engendrada, pues, por las fuerzas de atracción intra-líquida, la fuerza de repulsión interlíquida y, desde luego, la gravedad.
La forma de la interfaz líquido / líquido es engendrada, pues, por las fuerzas de atracción intra-líquida, la fuerza de repulsión interlíquida y, desde luego, la gravedad.
INTERFAZ LÍQUIDO Y SOLIDO
Es el mismo principio. Tres
ejemplos: la gota de agua puesta sobre un sólido, el agua en un vaso y el agua
suspendida de una barrera. En caso de
repulsión entre el líquido y el sólido: la gota sobre el sólido va a consolidarse
y no a extenderse, el agua en el vaso va a encorvarse y el agua sobre la
barrera va a caer.
En caso de atracción:
La gota sobre el sólido va a
extenderse, el agua en el vaso va a subir a lo largo de las paredes y el agua
suspendida de la barrera no caerá.
UNIDAD DE MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL
La unidad de medida de la
tensión superficial es el newton por metro (N.m-1) que es
equivalente a los julios por metro cuadrado (J.m-2) que es la unidad
de energía de superficie (o dina / por cm).
La tensión superficial es la fuerza que hay que aplicar sobre un líquido
para provocar la extensión de su superficie. Podemos definir la energía de
interfaz como una demasía de energía química cuando las moléculas de superficie
se encuentran dentro del líquido.
DE LA TEORIA A LA PRÁCTICA
La tensión superficial es
muy importante particularmente en los procesos industriales. Es capital, pues,
de saber si su material es apto para la impresión o para el encolado.
Es para esto que disponemos de numerosos productos que permiten medir la tensión superficial de un material: lápices prueba, tintas prueba, plumas prueba.
Es para esto que disponemos de numerosos productos que permiten medir la tensión superficial de un material: lápices prueba, tintas prueba, plumas prueba.
La superficie de cualquier líquido se comporta como
si sobre esta existe una membrana a tensión. A este fenómeno se le conoce como
tensión superficial. La tensión superficial de un líquido está asociada a la
cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.
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 debe a 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.
Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción
entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrógeno y éstos representan
una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos
otros líquidos.
Existen varios métodos para medir la tensión
superficial de un líquido. Uno de ellos consiste en utilizar un anillo de
platino que se coloca sobre la superficie del agua. Se mide la fuerza que se
requiere para separar el anillo de la superficie del agua con una balanza de
alta precisión.
En los márgenes de los ríos viven unos insectos,
llamados zapateros (Gerrisnatans), que caminan con sus largas patas por la
superficie del agua sin hundirse. Esta habilidad seexplica por la tensión
superficial, propiedad de un líquido que hace que se comporte como si
su superficie estuviera encerrada en una lámina elástica. La tensión superficial también es responsable
de la formación de las gotas de lluvia, de las burbujas de jabón o de la
elevación de líquidos por un capilar.
Este fenómeno tiene su origen en las fuerzas
intermoleculares o de Van der Waals. Una molécula inmersa en un líquido
experimenta interacciones con otras moléculas por igual en todas las
direcciones. Sin embargo, las moléculas situadas en la superficie acuosa sólo
se ven afectadas por las vecinas que tienen por debajo. Así, se origina una
especie de película mantenida por las fuerzas intermoleculares del fluido, que
alcanzan valores elevados, aunque para distancias cortas. Esto hace que, por
ejemplo, un clip pueda descansar en la superficie del agua. En cambio, si apoyamos
un leño, el grosor del mismo es suficiente para que las fuerzas de Van der
Waals no se manifiesten.
METODOS BASADOS SOBRE LA MEDICION DE UNA
FUERZA
Se sabe que la tensión es una fuerza por
unidad de longitud de línea de contacto trifásico. Tales métodos se aplican por
tanto al caso en que hay 3 fases: un fluido (gas o líquido), un líquido, y un sólido. La tensión
superficial o interfacial entre los dos fluidos se mide como una fuerza
aplicada sobre una cierta longitud de la línea de contacto trifásico. Solido
líquido 1 líquido
METODO DE LA PLACA
(Whilhelmy 1863)
Se
utiliza una placa de geometría rectangular perfectamente conocida suspendida
verticalmente a una balanza de precisión (Ver Fig. 2). El lado inferior de la
placa se pone en contacto (horizontalmente) con la superficie del líquido para
que se moje (2). Luego se ejerce una fuerza vertical sobre la placa para
levantarla. La placa se levanta poco a poco, y de cada lado se forma una
interfase curva (3); se levanta la placa hasta que se produzca el arranque (4).
METODO DEL ANILLO (Nouy
1919)
En
el método de Nouy, se reemplaza la placa rectangular suspendida verticalmente
por un anillo teórico suspendido horizontalmente, en forma perfectamente
paralela con la superficie o interfase. El anillo tiene un radio R, y está
hecho con un alambre de radio r, resultando en un perímetro total de L = 4πR.
Nótese que este perímetro es una aproximación, ya que no toma en cuenta la
posición exacta de la línea de contacto trifásico respecto al anillo. En todo
caso es válido si r << R. Para medir la tensión superficial, se procede
como en el caso del método de la placa. Primero se moja (completamente) el anillo
y luego se procede a levantarlo hasta el arranque.
OTROS METODOS
Se
ha propuesto un gran número de variantes a los métodos de la placa y del
anillo. El método del estribo consiste en medir la fuerza de contacto trifásico
de un segmento de alambre de platino ubicado horizontalmente. Es esencialmente
la misma situación que en el método de la placa, pero con la característica del
método del anillo de prescindir de un ángulo de contacto cero, puesto que se
mide también la fuerza máxima. Por las mismas razones que las discutidas con el
método del anillo requiere correcciones fastidiosas. Como presenta una línea de
contacto en general más corta, no tiene ninguna ventaja sobre el método del
anillo alambre "Rod in meniscus", "Estribo" posición de
arranque.
(SALAGER &
ANTON, 2005)
PRESION HIDROSTÁTICA
La hidrostática es la rama de
la mecánica de fluidos que
estudia los fluidos en
estado de reposo; es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o
posición.
Reciben
el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la
forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre
de fluidez.
Son
fluidos tanto los líquidos como los gases, y su forma puede cambiar fácilmente
por escurrimiento debido a la acción de fuerzas pequeñas.
Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son elprincipio de Pascal y el principio de Arquímedes.
Principio de Pascal
En
física, el principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático
francés Blaise Pascal (1623-1662).El
principio de Pascal afirma que la presión aplicada sobre un fluido no compresible contenido
en un recipiente indeformable se transmite con igual intensidad en todas las
direcciones y a todas partes del recipiente.
Este
tipo de fenomeno se puede apreciar, por ejemplo en la prensa hidráulica la cual
funciona aplicando este principio.Definimos compresibilidad como la capacidad que tiene un fluido para
disminuir el volumen que ocupa al ser sometido a la acción de fuerzas
Principio de Arquímedes
El
principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sólido sumergido total o
parcialmente en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba con una
fuerza igual al peso del volumen de fluido desalojado.
El
objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido,
ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, éste
flotará y estará sumergido sólo parcialmente.
Propiedades de los fluidos
Propiedades primarias o termodinámicas:
·
Densidad
·
Presión
·
Temperatura
·
Energía
interna
·
Entalpía
·
Entropía
·
Caloresespecíficos
Propiedades
secundarias
·
Caracterizan
el comportamiento específico de los fluidos.
·
Viscosidad
·
Conductividad
térmica
·
Tensión
superficial
·
Compresión
Densidad
o masa específica
La densidad es la cantidad de masa por unidad
de volumen. Se denomina con la letra ρ. En el sistema internacional se mide en
kilogramos / metro cúbico.
Cuando
se trata de una sustancia homogénea, la expresión para su cálculo es:
Donde
ρ: densidad de la sustancia, Kg/m3
m: masa de la sustancia, Kg
V: volumen de la sustancia, m3
En
consecuencia la unidad de densidad en el Sistema Internacional será kg/m3 pero
es usual especificar densidades en g/cm3, existiendo la equivalencia
1g
cm3 = 1.000 kg/ m3.
La
densidad de una sustancia varía con la temperatura y la presión; al resolver
cualquier problema debe considerarse la temperatura y la presión a la que se
encuentra el fluido.
2.3.
Peso
específico
El
peso específico de un fluido se calcula como su peso por unidad de volumen (o
su densidad por g).
En
el sistema internacional se mide en Newton / metro cúbico.
2.5. Presión hidrostática
En
general, podemos decir que la presión se define como fuerza sobre unidad de
superficie, o bien que la presión es la magnitud que indica cómo se
distribuye la fuerza sobre la superficie en la cual está aplicada.
Si
una superficie se coloca en contacto con un fluido en equilibrio (en reposo) el
fluido, gas o líquido, ejerce fuerzas normales sobre la superficie.
Entonces,
presión hidrostática, en mecánica, es la fuerza por unidad de superficie que
ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie.
Si
la fuerza total (F) está distribuida en forma uniforme sobre el total de un
área horizontal (A), la presión (P) en cualquier punto de esa área será
P:
presión ejercida sobre la superficie, N/m2
F:
fuerza perpendicular a la superficie, N
A:
área de la superficie donde se aplica la fuerza, m2
Ahora
bien, si tenemos dos recipientes de igual base conteniendo el mismo líquido
(figura a la izquierda), veremos que el nivel del líquido es el mismo en los
dos recipientes y la presión ejercida sobre la base es la misma.
Eso
significa que:
La presión es independiente del tamaño de la sección
de la columna: depende sólo de su altura (nivel del líquido) y de la naturaleza
del líquido (peso específico).
Esto
se explica porque la base sostiene sólo al líquido que está por encima de ella,
como se grafica con las líneas punteadas en la figura a la derecha.
La
pregunta que surge naturalmente es: ¿Qué sostiene al líquido restante?
Y
la respuesta es: Las paredes del recipiente. El peso de ese líquido tiene una
componente aplicada a las paredes inclinadas.
La
presión se ejerce solo sobre la base y la altura o nivel al cual llega el
líquido indica el equilibrio con la presión atmosférica.
EDEMA POR EFECTO DEL AUMENTO DE LA
PRESIÓN HIDROSTÁTICA
La presión
hidrostática dentro de los vasos sanguíneos (Pc) tiende a que el
agua se filtre hacia el espacio intercelular, y de aquí a los tejidos. Aumento de la presión hidrostática de la
sangre en la microcirculación: por aumento de la presión venosa, como ocurre en
la insuficiencia cardíaca, la hipervolemia (aumento del volumen sanguíneo),
obstrucción venosa (por trombosis venosa o compresión), incompetencia de las
válvulas venosas (el caso de las varices) o el efecto de la gravedad por
aumento de la presión arterial, como ocurre en la hipertensión por disminución
de la resistencia arterial (por causa fisiológica o farmacológica).
Presión
y profundidad
La
presión en un fluido en equilibrio aumenta con la profundidad, de modo que las
presiones serán uniformes sólo en superficies planas horizontales en el fluido.
Por
ejemplo, si hacemos mediciones de presión en algún fluido a ciertas
profundidades la fórmula adecuada es
Es
decir, la presión ejercida por el fluido en un punto situado a una
profundidad h de la superficie es igual al producto de la
densidad d del fluido, por la profundiad h y
por la aceleración de la gravedad.
Si
consideramos que la densidad del fluido permanece constante, la presión, del
fluido dependería únicamente de la profundidad. Pero no olvidemos que hay
fluidos como el aire o el agua del mar, cuyas densidades no son constantes y
tendríamos que calcular la presión en su interior de otra manera.
Unidad
de Presión
En
el sistema internacional la unidad es el Pascal (Pa) y equivale a Newton sobre
metro cuadrado.
La presión suele medirse en atmósferas (atm); la atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio o 14,70 lbf/pulg2 (denominada psi).
La
tabla siguiente define otras unidades y se dan algunas equivalencias.
|
Unidad
|
Símbolo
|
Equivalencia
|
|
bar
|
bar
|
1,0 × 105 Pa
|
|
atmósfera
|
atm
|
101.325 Pa 1,01325 bar
1013,25 mbar
|
|
mm de mercurio
|
mmHg
|
133.322 Pa
|
|
Torr
|
torr
|
133.322 Pa
|
|
lbf/pulg2
|
psi
|
0,0680 atm
|
|
kgf/cm2
|
|
0,9678 atm
|
|
|
atm
|
760,0 mmHg
|
|
|
psi
|
6.894, 75 Pa
|
Medidores
de presión
La
mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la
diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local.
Para
pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo
en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y
el otro extremo abierto a la atmósfera.
El
tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre
los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión
del recipiente y la presión atmosférica local.
Para
diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon,
llamado así en honor al inventor francés EugèneBourdon. Este manómetro está
formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho.
Los
manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen
utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una
respuesta instantánea.
Como
la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y
la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por
el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del
manómetro corresponde a un vacío parcial. (Nieto, 2004)
ADHESIÓN Y COHESIÓN
La
adhesión:
Es la propiedad de la materia por la cual se unen
dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y
se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.
La adhesión ha jugado un papel muy importante en
muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del
ladrillo con el mortero (cemento) es un ejemplo claro.
La
cohesión:
es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza
de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras
que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos
cuerpos.Cinco mecanismos han sido propuestos para explicar por qué un material
se adhiere a otro.Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las
partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la
cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un
mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies
de distintos cuerpos.
En el agua la fuerza de cohesión es elevada por
causa de los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua
fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un
líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos
animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos
perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus
líquidos internos.
La cohesión se caracteriza así según el estado de
las sustancias:
En
los sólidos, las fuerzas de cohesión son elevadas y
en las tres direcciones espaciales. Cuando aplicamos una fuerza solo permite
pequeños desplazamientos de las moléculas entre sí, cuando cesa la fuerza
exterior, las fuerzas de cohesión vuelven a colocar las moléculas en su
posición inicial.
En
los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas
en dos direcciones espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy
débiles. Por otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy
elevadas.
Cuando aplicamos una fuerza tangencial al líquido,
este rompe sus débiles enlaces entre capas, y las capas de líquido deslizan
unas con otras. Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son lo suficiente
fuertes como para volver a colocar las moléculas en su posición inicial, queda
deformado.
La capa de
fluido que se encuentra justo en contacto con el sólido, se queda pegada a
éste, y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a las otras deslizan
entre sí.
En
los gases, las fuerzas de cohesión son despreciables, las
moléculas se encuentran en constante movimiento. Las fuerzas de adherencia con
los sólidos y los líquidos son importantes. Al aplicarse una fuerza de corte,
se aumenta la velocidad media de las moléculas.
Como estas
partículas con más velocidad media (más cantidad de movimiento) se mueven en el
espacio, algunas pasan a las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad
media de esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de movimiento
más pequeña, algunas de sus partículas pasan a la capa de mayor cantidad de
movimiento (afectada por el esfuerzo de corte) frenándola.
Adhesión
mecánica
Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros
de las superficies manteniendo las superficies unidas por enclavamiento.
Existen formas a gran escala de costura, otras veces a media escala como el
velcro.
Adhesión
química
Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse.
Las uniones más fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace
iónico) o se comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se
produce cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve
atraída por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un
puente de hidrógeno.
Adhesión
dispersiva.
En la adhesión dispersiva, dos materiales se
mantienen unidos por las fuerzas de Van der Waals: la atracción entre dos
moléculas, cada una de las cuales tiene regiones de carga positiva y negativa.
En este caso, cada molécula tiene una región de mayor carga positiva o negativa
que se une a la siguiente de carga contraria.
Adhesión
electrostática.
Algunos materiales conductores dejan pasar
electrones formando una diferencia de potencial al unirse. Esto da como
resultado una estructura similar a un condensador y crea una fuerza
electrostática atractiva entre materiales.
Adhesión difusiva Algunos materiales pueden unirse
en la interfase por difusión. Esto puede ocurrir cuando las moléculas de ambos
materiales son móviles y solubles el uno en el otro. Esto sería particularmente
eficaz con las cadenas de polímero en donde un extremo de la molécula se
difunde en el otro material
Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas
las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la
cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un
mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies
de distintos cuerpos.
En el agua la fuerza de cohesión es elevada por
causa de los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua
fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un
líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos
animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos
perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus
líquidos internos.
La cohesión se caracteriza así según el estado de
las sustancias:
En
los sólidos, las fuerzas de cohesión son elevadas y
en las tres direcciones espaciales. Cuando aplicamos una fuerza solo permite
pequeños desplazamientos de las moléculas entre sí, cuando cesa la fuerza
exterior, las fuerzas de cohesión vuelven a colocar las moléculas en su
posición inicial.
En
los líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas
en dos direcciones espaciales, y entre planos o capas de fluidos son muy
débiles. Por otra parte las fuerzas de adherencia con los sólidos son muy
elevadas. Cuando aplicamos una fuerza tangencial al líquido, este rompe sus
débiles enlaces entre capas, y las capas de líquido deslizan unas con otras.
Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de cohesión no son lo suficiente fuertes
como para volver a colocar las moléculas en su posición inicial, queda
deformado. La capa de fluido que se encuentra justo en contacto con el sólido,
se queda pegada a éste, y las capas de fluido que se encuentran unas juntas a
las otras deslizan entre sí.
En
los gases, las fuerzas de cohesión son despreciables, las
moléculas se encuentran en constante movimiento. Las fuerzas de adherencia con
los sólidos y los líquidos son importantes. Al aplicarse una fuerza de corte,
se aumenta la velocidad media de las moléculas.
Como estas
partículas con más velocidad media (más cantidad de movimiento) se mueven en el
espacio, algunas pasan a las capas contiguas aumentando a su vez la velocidad
media de esas capas adyacentes, estas a su vez con una cantidad de movimiento
más pequeña, algunas de sus partículas pasan a la capa de mayor cantidad de
movimiento (afectada por el esfuerzo de corte) frenándola. (Vargas-Macarulla,
1971)
DIFUSION Y OSMOSIS
DIFUSIÓN
La difusión (también difusión molecular) es un proceso
físico irreversible, en el que partículas materiales se
introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando
la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las
partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o
disuelven.
Normalmente los procesos de difusión están sujetos a
la Ley de Rick. La membrana permeable puede permitir el paso de
partículas y disolvente siempre a favor
del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no
requiere aporte energético, es frecuente como forma de
intercambio celular.
Es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales
se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando
la entropía (Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las
partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.
Flujo de energía o materia desde una zona de mayor
concentración, tendente a producir una distribución homogénea. Si se calienta
se carga eléctricamente el extremo de una varilla, el calor o la electricidad
se difundirán desde la parte calienta o cargada hasta la parte fría o no
cargada.
La membrana permeable puede permitir el
paso de partículas y disolvente siempre a favor
del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no
requiere aporte energético, es frecuente como forma de
intercambio celular.
Normalmente los procesos de difusión están sujetos a
la Ley
de Fick. La membrana permeable puede
permitir el paso de partículas y disolvente siempre a favor del gradiente de concentración.
La difusión, proceso que no requiere aporte energético,
es frecuente como forma de intercambio celular.
·
Difusión
sustitucional
En este tipo de difusión, el tamaño del átomo que
difunde y el de los átomos de la red cristalina es parecido. La difusión se
produce aprovechando los defectos de laguna.
Difusión intersticial
La difusión intersticial se produce cuando los
átomos entrantes son más pequeños que los existentes en la red cristalina. Los
átomos (considerados como una esfera maciza), se colocan en los huecos
existentes en la red cristalina.
La ley que rige la difusión es la Ley
de Fick. Otra forma para encontrar la correlación de
difusión entre átomos, es sacar la derivada por la hipotenusa entre el radio de
cierta medida, entre los caracteres de un punto polar en la primera cara de
cff; por la integral de dicha ecuación.
·
Difusión neta
Diferencia de difusión entre las dos regiones de
distinta concentración es lo que se conoce como difusión neta.
Difusión
simple
Se denomina difusión simple al proceso por el
cual se produce un flujo neto de moléculas a través de una membrana permeable
sin que exista un aporte externo de energía. Este proceso, que en última
instancia se encuentra determinado por una diferencia de concentración entre
los dos medios separados por la membrana; no requiere de un aporte de energía
debido a que su principal fuerza impulsora es el aumento de la entropía total del sistema.
En este proceso el desplazamiento de las moléculas se produce
siguiendo el gradiente de
concentración, las moléculas atraviesan la membrana desde el medio
donde se encuentran en mayor concentración, hacia el medio donde se encuentran
en menor concentración.
El proceso de difusión simple se encuentra descrito por las Leyes
de Fick, las cuales relacionan la densidad del flujo de las
moléculas con la diferencia de concentración entre los dos medios separados por
la membrana, el coeficiente de difusión de las mismas y la permeabilidad de la
membrana.
El proceso de difusión simple es de vital importancia para el
transporte de moléculas pequeñas a través de las membranas
celulares. Es el único mecanismo por el cual el oxígeno ingresa a
las células que lo utilizan como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria y uno de los
principales mecanismos de regulación osmótica en las células.
(Taylor, 1922)
Difusión
facilitada
Algunas
moléculas son demasiado grandes como para difundir a través de los canales de
la membrana y demasiado hidrofílicos para poder difundir a través de la capa de
fosfolípidos y hopanoides. Tal es el caso de la fructuosa y algunos otros
monosacáridos.
Estas
sustancias, pueden cruzar la membrana plasmática mediante el proceso de
difusión facilitada, con la ayuda de una proteína transportadora. En el primer
paso, la glucosa se une a la proteína transportadora, y esta cambia de forma,
permitiendo el paso del azúcar. Tan pronto como la glucosa llega al citoplasma,
una quinasa (enzima que añade un grupo
fosfato a un azúcar) transforma la glucosa en glucosa-6-fosfato. De esta forma,
las concentraciones de glucosa en el interior de la célula son siempre muy
bajas, y el gradiente de concentración exterior → interior favorece la difusión
de la glucosa.
Difusión
facilitada: la fuerza impulsora es el aumento de entropía por el aumento de
concentración a un lado de la membrana. Tanto la difusión facilitada como el
transporte activo se producen a través de proteínas integrales de membrana.
La
difusión facilitada es mucho más rápida que la difusión simple y depende:
·
Del
gradiente de concentración de la sustancia a ambos lados de la membrana.
·
Del
número de proteínas transportadoras existentes en la membrana.
·
De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo.
De la rapidez con que estas proteínas hacen su trabajo.
OSMOSIS
La ósmosis es
un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a
través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone
una difusión simple a través de la membrana, sin "gasto de
energía". La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para
el metabolismo celular de losares.
Mecanismo
Se denomina membrana semipermeable a la
que contiene poros o agujeros, al igual que cualquier filtro, de tamaño
molecular. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas
pequeñas pero no las grandes, normalmente del tamaño de micrómetros. Por
ejemplo, deja pasar las moléculas de agua, que son pequeñas, pero no las de
azúcar, que son más grandes.
Si una membrana como la descrita separa un líquido
en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias
cosas, explicadas a fines del siglo XIX por Van 't Hoff y Gibbs empleando
conceptos de potencial electroquímico y difusión simple,
entendiendo que este último fenómeno implica no sólo el movimiento al azar de
las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas y esto
ocurre cuando las partículas que vienen se equiparan con las que aleatoriamente
van, sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones.
Los
potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma
del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución.
Este desequilibrio, que está en relación directa con la osmolaridad de la
solución, genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor
potencial que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión
atmosférica, por ejemplo: "existe una presiónosmóticade50atmósferas entre agua desalinizada y agua
de mar".
El solvente fluirá hacia el soluto hasta
equilibrar dicho potencial o hasta que la presión
hidrostática equilibre la presión osmótica.
El resultado final es que, aunque el agua pasa de la
zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo
neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a
la de alta.
Dicho de otro modo: dado suficiente tiempo, parte
del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua
pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración.
Las moléculas de agua atraviesan la membrana
semipermeable desde la disolución de menor concentración, disolución
hipotónica, a la de mayor concentración, disolución hipertónica. Cuando el
trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el
nombre de isotónicas.
En los seres vivos, este movimiento del agua a
través de la membrana celular puede producir que algunas células se arruguen
por una pérdida excesiva de agua, o bien que se hinchen, posiblemente hasta
reventar, por un aumento también excesivo en el contenido celular de agua.
Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias
desastrosas para las células, estas poseen mecanismos para expulsar el agua o
los iones mediante un transporte que requiere gasto de energía.
La ósmosis es
un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a
través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone
una difusión simple a través de la membrana, sin "gasto de
energía". La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para
el metabolismo celular de losares.
·
Ósmosis inversa
Lo descrito hasta ahora
ocurre en situaciones normales, en que los dos lados de la membrana estén a la
misma presión; si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede
lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja
concentración de sales.
Se puede decir que se
está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso se llama ósmosis inversa. Téngase en
cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable sólo
pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja
concentración.
Si la alta
concentración es de sal, por ejemplo agua marina, al aplicar presión, el agua
del mar pasa al otro lado de la membrana. Sólo el agua, no
la sal. Es decir, el agua se ha desalinizado por ósmosis inversa, y puede
llegar a ser potable.
(Lee, 2011)
ABSORCION
Absorción es
la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de
una mezcla gaseosa con la ayuda de
un solvente líquido con el cual forma
solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase
gaseosa y pasan a la líquida).
Este proceso implica una difusión molecular
turbulenta o una transferencia de masa del soluto A través del gas B, que no se
difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo. Un ejemplo es
la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua líquida C. Al proceso
inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o des absorción; cuando el
gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso se llama des
humidificación, la des humidificación significa extracción de vapor de agua del
aire.
·
Fisisorción
La fisisorción es la forma más simple de adsorción, y es debida a
débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas). Dado que estas fuerzas son
omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al
ambiente acumula una capa de material fisisorbido.
·
Quimisorción
La quimisorción ocurre
cuando un enlace químico se forma, definido en este caso como un intercambio de
electrones. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los
materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones
encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente
importante en la catálisis heterogénea, la forma más común en la
industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo
gaseoso, el reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reacción
en lecho fluido. La adsorción del reactivo por la superficie del
catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor
de la molécula reactiva y permitiendo reacciones que normalmente no se
producirían en otras circunstancias. La corrosión es un ejemplo de ello.
5.1.
Elección del disolvente para absorción
Si el propósito principal de la operación de
absorción es producir una solución específica, el disolvente es especificado
por la naturaleza del producto.
Si el propósito principal es eliminar algún
componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por
supuesto, el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse
considerable importancia a las siguientes propiedades:
·
Solubilidad
del gas:
La
solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la
absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente. En general, los
disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber
proporcionan una buena solubilidad.
Para los
casos en que son ideales las soluciones formadas, la solubilidad del gas es la
misma, en fracciones mol, para todos los disolventes. Sin embargo, es mayor, en
fracciones peso, para los disolventes de bajo peso molecular y deben utilizarse
pesos menores de estos disolventes. Con frecuencia, la reacción química del
disolvente con el soluto produce una solubilidad elevada del gas; empero, si se
quiere recuperar el disolvente para volverlo a utilizar, la reacción debe ser
reversible.
·
Volatilidad:
El disolvente
debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas saliente en una
operación de absorción generalmente está saturado con el disolvente y en
consecuencia, puede perderse una gran cantidad. Si es necesario, puede
utilizarse un líquido menos volátil para recuperar la parte evaporada del
primer disolvente.
·
Corrosión:
Los
materiales de construcción que se necesitan para el equipo no deben ser raros o
costosos. "la
aleación más utilizada es el acero, mezcla de hierro y carbono con otros
componentes, que le confieren dureza y resistencia al desgaste y a la
corrosión"
·
Costo:
El disolvente debe ser barato, de forma que las
pérdidas no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente.
·
Viscosidad:
Se prefiere
la viscosidad baja debido a la rapidez en la absorción, mejores características
en la inundación de las torres de absorción, bajas caídas de presión en el
bombeo y buenas características de transferencia de calor.
·
Otros:
Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de congelamiento.
Absorción es
la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de
una mezcla gaseosa con la ayuda de
un solvente líquido con el cual forma
solución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase
gaseosa y pasan a la líquida).
ACCIÓN CAPILAR Y CAPILARIDAD
Atracción capilar, o capilaridad, es la capacidad de
un líquido a fluir en espacios estrechos sin la ayuda de, y en oposición a
fuerzas externas como la gravedad. El efecto puede ser visto en la elaboración
de líquidos entre los pelos de un pincel, en un tubo delgado, en materiales
porosos tales como papel, en algunos materiales no porosos tales como fibra de
carbono licuado, o en una célula. Ocurre debido a fuerzas intermoleculares
entre las superficies circundantes líquidas y sólidas. Si el diámetro del tubo
es suficientemente pequeño, entonces la combinación de la tensión superficial y
las fuerzas adhesivas entre el líquido y el acto de levantar el recipiente de
líquido.
La capilaridad es
un proceso de los fluidos que depende de su tensión
superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le
confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.
Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es
debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre
sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material
del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta
que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el
tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula
parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para
vencer la gravedad.
La acción capilar, capilaridad, movimiento capilar
o de mecha se refiere a dos fenómenos:
Un aparato común utilizado para demostrar el primer
fenómeno es el tubo capilar. Cuando el extremo inferior de un tubo vertical de
vidrio se coloca en un líquido tal como agua, se forma un menisco cóncavo. Las
fuerzas de adhesión entre el líquido y la pared interior sólido tira de la
columna de líquido hasta que hay una masa suficiente de líquido para las
fuerzas gravitacionales para superar estas fuerzas intermoleculares. La
longitud de contacto entre la parte superior de la columna de líquido y el tubo
es proporcional al diámetro del tubo, mientras que el peso de la columna de
líquido es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo, por lo que un tubo
estrecho se dibuje una columna de líquido mayor que un tubo de ancho.
Ejemplos
La acción capilar es esencial para el drenaje de
fluido lacrimal producido constantemente desde el ojo. Dos canalículos de
pequeño diámetro están presentes en la esquina interna del párpado, también
llamados los conductos lagrimales, sus aberturas se pueden ver a simple vista
en los sacos lagrimales cuando se eversión de los párpados.
(Adamson, 1967)
EXPERIMENTO DE CAPILARIDAD
Transferencia de agua entre dos vasos
¿Podría el agua ir
cuesta arriba, incluso en contra de la gravedad? De seguro muchas personas
responderán que no, un no rotundo. Pues bien, con este experimento tan sencillo
que incluso los niños pueden realizar, descubriremos que agua puede ascender
debido al fenómeno de la capilaridad, también llamada acción capilar.
Materiales:
- Dos vasos.
- Agua.
- Colorante (no es necesario pero queda más bonito).
- Papel de cocina.
Procedimiento:
- Llena un vaso de agua hasta la mitad o más.
- Añade colorante, acuarela, témpera… para dar color al agua y que el experimento sea más vistoso.
- Retuerce o dobla un trozo de papel de cocina.
- Conecta el vaso lleno y el vacío con el papel de cocina. El papel de cocina debe llegar hasta el fondo de los vasos.
- Espera varias horas pero observa lo que ocurre de vez en cuando. Paciencia.
Lo
que sucederá:
·
El agua escalará
por el papel de cocina pero muy, muy despacio
·
Al cabo de
varias horas los niveles de agua se igualan
·
Vasos
diferentes, pero niveles de agua iguales
Explicación
de lo sucedido:
El agua escala poco a
poco por el papel de cocina hasta llegar al otro vaso debido a la capilaridad o
acción capilar, una propiedad que tiene el agua. El proceso continúa hasta que
el nivel de agua en ambos vasos es igual.
La
capilaridad es la capacidad que tiene el agua de ascender en contra de la
gravedad por pequeños tubitos o capilares. La acción capilar hace posible que
las plantas transporten el agua (y las sustancias disueltas en ella) desde las
raíces a las hojas, que las toallas sequen, que podamos llorar y que se rompan
las galletas cuando las mojamos en la leche del desayuno.
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