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Tensión superficial

Haga el experimento siguiente:

Tome un pequeño trozo de papel muy fino (como el de los cigarrillos) y colóquelo con cuidado sobre la superficie de un vaso con agua de manera que flote, luego, también con mucho cuidado coloque sobre el papel flotante un alfiler metálico. Cuando transcurra algún tiempo el papel mojado se hundirá y podrá ver como el alfiler queda flotando sobre la superficie del agua. Si observa cuidadosamente el alfiler "flotante" verá que aparentemente está soportado por una suerte de débil membrana superficial que no se rompe por el peso del alfiler.
 
Este efecto aparentemente inexplicable se debe a la tensión superficial.

Tensión superficial
 Figura 1.

Las moléculas del líquido

En el dibujo de la derecha (figura 1) se representan las moléculas de un líquido contenido en un recipiente como una pequeñas esferas rojas.

Aunque un líquido se adapta a la forma del recipiente que lo contiene, mantiene un volumen fijo al contrario que los gases.

Esta integridad del líquido se debe a que las moléculas están sometidas a fuerzas de atracción-repulsión interactivas y en equilibrio que las mantienen a cierta distancia fija, si esta distancia tiende a alterarse por cambos de presión, la fuerza correspondiente crece en valor para mantenerla, por tal motivo los líquidos son casi incompresibles y no cambian el volumen de manera apreciable cuando se someten a bajas presiones.

En el dibujo puede apreciarse que las moléculas del interior del líquido están sometidas a las fuerzas de interacción en todas direcciones,  mientras que las de la superficie solo tienen tres componentes de esta fuerza.

En este caso, las fuerzas de interacción entre las moléculas de la superficie tiene una componente bien equilibrada en el plano horizontal, de manera que unas moléculas están "agarradas" a las otras como lo estaría un puente colgante sujeto por cuerdas, esto produce cierta pequeña resistencia a la rotura de la superficie. A este efecto se le llama tensión superficial y es esta resistencia adicional la que hace a nuestro alfiler flotar. Esta tensión superficial está presente en mayor o menor medida en todos los líquidos.

Más detalles

En realidad para que el alfiler flote, su superficie debe estar cubierta de una fina capa de grasa (cosa que se garantiza al manipularlo con las manos) esta grasa repele el agua, por lo que el alfiler "empuja" con su peso la superficie del agua sin interactuar con ella, un cuerpo que se "moja" es decir no repele al agua, entraría en contacto con las moléculas de la superficie de esta y formaría parte del sistema hundiéndose irremisiblemente.

Muchas sustancias aumentan considerablemente la tensión superficial del agua, entre ellos los jabones y detergentes, por tal motivo son productores de mucha espuma, la fuerza de la membrana superficial puede formar incluso burbujas estables por largo tiempo que el agua sola no puede hacer.

dibujo del menisco
Figura 2.

menisco hacia arriba
 Figura 3.

Como el recipiente mostrado en el punto anterior tiene un diámetro considerable, se ha representado la superficie del agua como un plano perfecto, en la realidad esto no es así, en la zona de contacto del líquido con los bordes del recipiente, en dependencia de la naturaleza de las fuerzas moleculares interactivas del líquido con el sólido del recipiente, la superficie del líquido se eleva o desciende formando los que se conoce como menisco, es decir la superficie del líquido se curva.

Si el material del recipiente tiene fuertes fuerzas de atracción con el líquido como es el caso del agua y el vidrio limpio, este "trepa" por la superficie del recipiente (figura 2) y nuestra membrana toma forma de U alargada (como el puente colgante), por el contrario si hay rechazo entre el líquido y el sólido como el caso del vidrio engrasado, o entre mercurio y vidrio, la superficie toma forma de U alargada pero invertida (figura 3).

Debido a este efecto, en algunos líquidos si se introduce un tubo de afinidad al líquido muy delgado dentro de un recipiente conteniéndolo, el líquido puede ascender notablemente por el tubo. Este fenómeno se conoce como capilaridad y los tubos que lo producen se llaman tubos capilares.



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