¿Alguna vez has jugado con burbujas de jabón? Son redondas. Divertidas. Se pueden soplar. Después de volar, las burbujas de jabón explotan. ¡Guau, es divertido, un juego de la infancia! ¿Por qué son redondas las burbujas de jabón?
Por favor, despiértate por la mañana y observa las hojas alrededor de la casa. Fíjate en las gotitas de rocío adheridas a las hojas. Es extraño; las gotas de rocío son redondas. ¿Cómo es posible?
La tensión superficial se produce porque la superficie del líquido tiende a contraerse, adquiriendo la apariencia de una fina membrana. Esto se debe a la fuerza de cohesión entre las moléculas de agua. Para comprender mejor esta explicación, observemos la siguiente ilustración. Analizamos el líquido en un recipiente.
Dentro del líquido, cada molécula está rodeada por otras moléculas a cada lado; pero en la superficie, solo hay moléculas de líquido debajo. En la parte superior, no hay otras moléculas de líquido. Debido a que las moléculas de líquido se atraen entre sí, la fuerza total en las moléculas que se encuentran en el interior del líquido es cero. Por el contrario, las moléculas de líquido ubicadas en la superficie son atraídas por las partículas de fluido que se encuentran en el fondo. Como resultado, en la superficie del líquido existe una fuerza total dirigida hacia abajo. Debido a esta fuerza neta descendente, el líquido en la superficie tiende a reducir su área superficial, contrayéndose lo máximo posible.
Esto provoca que la capa líquida en la superficie parezca estar cubierta por una fina membrana elástica. Este fenómeno se conoce como tensión superficial.
Cuando la pinza se coloca cuidadosamente sobre la superficie del agua, las moléculas de agua situadas en la superficie son ligeramente presionadas por la gravedad de la pinza, de modo que las moléculas de agua situadas debajo ejercen la fuerza de recuperación necesaria para sostener la pinza.
En realidad, no se trata solo de clips o sujetapapeles, sino también de otros objetos como agujas. Si colocamos cuidadosamente una aguja sobre la superficie del agua, flotará. La tensión superficial del líquido también explica por qué los insectos pueden flotar en el agua.
La ecuación de la tensión superficial
En la discusión anterior, estudiamos el concepto de tensión superficial de forma cualitativa (sin ecuación matemática). Ahora revisaremos la tensión superficial de forma cuantitativa. Para ayudarnos a deducir la ecuación de la tensión superficial, observaremos un alambre doblado formando la letra U. Otro alambre recto está unido a los dos extremos del alambre en forma de U, de manera que el alambre recto puede moverse.
Si se introduce este alambre en el jabón, al retirarlo se formará una capa de agua jabonosa en su superficie. Es similar a cuando se juega con burbujas de jabón. Dado que el alambre recto puede moverse y su masa no es muy grande, la capa de agua jabonosa ejercerá una fuerza de tensión superficial sobre él, haciendo que se eleve. Para evitar que el alambre se mueva (es decir, para que esté en equilibrio), se necesita una fuerza total hacia abajo, cuya magnitud es F = w + T. En equilibrio, F es igual a la fuerza de tensión superficial que ejerce la capa de jabón sobre el alambre.
Supongamos que la longitud de un alambre recto es l. Debido a que la capa de agua jabonosa que toca el alambre tiene dos superficies, la fuerza de tensión superficial generada por dicha capa actúa a lo largo de 2l. La tensión superficial en la capa de jabón es una comparación entre la fuerza de tensión superficial (F) y la longitud de la superficie sobre la que actúa la fuerza (d). En este caso, la longitud de la superficie es 2l. Matemáticamente, se escribe:
Dado que la tensión superficial es la relación entre la fuerza de tensión superficial y la longitud, la unidad de medida de la tensión superficial es el newton por metro (N/m) o la dina por centímetro (dinas/cm).
A continuación se muestran algunos valores de tensión superficial obtenidos a partir de experimentos.
Según los datos de tensión superficial, la temperatura afecta el valor de la tensión superficial del fluido. Generalmente, al aumentar la temperatura, la tensión superficial disminuye (compare la tensión superficial del agua a cada temperatura; consulte la tabla). Esto se debe a que, al aumentar la temperatura, las moléculas del líquido se mueven más rápido, lo que reduce la interacción entre ellas. Como consecuencia, la tensión superficial también disminuye.
Aplicación de los conceptos de tensión superficial en la vida cotidiana
¿Alguna vez te has preguntado por qué debemos lavar la ropa con jabón? El problema es que la ropa que lavamos está muy limpia; el agua debe pasar a través de un espacio muy estrecho entre las fibras de la tela. Por esta razón, es necesario aumentar la superficie de contacto del agua. Bueno, esto es muy difícil de hacer debido a la tensión superficial. Inevitablemente, primero hay que reducir el valor de la tensión superficial. Podemos reducir la tensión superficial usando agua caliente. Cuanto más alta sea la temperatura del agua, mejor, porque, a mayor temperatura del agua, menor es la tensión superficial (ver tabla). Esta es la primera alternativa y es un método que se usa con poca frecuencia. Otra opción es usar jabón.
A una temperatura de 20 ° C, la tensión superficial del agua jabonosa es de 25.00 mN/m. Compare la tensión superficial del agua jabonosa con la del agua caliente: ¿cuál es la más baja? A 100 ° C, la tensión superficial del agua caliente es de 58.90 mN/m. A 20 ° C, la tensión superficial del jabón es de 25.00 mN/m. Es más conveniente usar jabón. ¿Es solo uno de los factores que influyen?
¿Por qué la burbuja de jabón o agua es redonda?
Las burbujas de jabón o las gotas de agua son redondas debido a la tensión superficial. Primero, hablaremos de las burbujas de jabón. Estas tienen dos membranas delgadas en la superficie, entre las cuales se encuentran finas capas de agua.
La presencia de tensión superficial provoca que la membrana se contraiga y tienda a reducir su área superficial. Cuando la membrana de agua jabonosa se contrae y trata de minimizar su área superficial, existe una diferencia entre la presión del aire exterior (presión atmosférica) y la presión del aire interior. La presión del aire exterior (presión atmosférica) también empuja la membrana de agua jabonosa cuando se contrae, ya que la presión del aire interior es menor.
Tras la contracción de la membrana, el aire interior (atrapado entre ambas membranas) se comprime, aumentando la presión atmosférica dentro de la capa hasta que cesa la contracción. En otras palabras, cuando la contracción se detiene, la presión atmosférica entre las membranas es igual a la presión atmosférica más la fuerza de la tensión superficial que arruga la capa.
¿Y qué ocurre con las gotas de rocío o las gotas de agua que salen del grifo? El fenómeno es el mismo, ya que la causa principal es la tensión superficial. Si las burbujas de jabón tienen dos membranas delgadas en sus superficies, las gotas de agua solo tienen una capa delgada en la superficie exterior. El interior está lleno de agua. Debido a la fuerza de cohesión, surge la tensión superficial. La parte exterior de la gota de agua se contrae, reduciendo su superficie. La presión atmosférica exterior también ejerce presión sobre las gotas. La contracción cesa cuando la presión en el interior del agua es igual a la presión atmosférica más la fuerza de la tensión superficial que contrae la membrana.
