Fenómenos capilares
Meniscos
En las proximidades de la pared de un recipiente, una molécula del líquido (señalada en color rojo) experimenta las siguientes fuerzas:
- Su peso, P
- La fuerza de cohesión que ejercen el resto de las moléculas del líquido sobre dicha molécula Fc.
- La fuerza de adherencia que ejercen las moléculas de la pared sobre la molécula del líquido Fa.
Supondremos despreciable la fuerza que ejercen sobre la molécula considerada, las moléculas de vapor por encima de la superficie del líquido.
En la figura de la izquierda, se muestran las fuerzas sobre dos moléculas, una que está muy cerca de la pared y otra que está más alejada.
En la figura de la derecha, se muestra la resultante de dichas fuerzas. La superficie es siempre normal a la resultante. Cuando las moléculas están alejadas de la pared, la resultante debida al peso y a las fuerzas de cohesión (las fuerzas de adherencia son despreciables) es vertical hacia abajo, la superficie es entonces, horizontal.
Pueden ocurrir dos casos según sea la intensidad de las fuerzas de cohesión y adherencia.
- Que el líquido moje, por ejemplo, agua en un recipiente de vidrio. Las fuerzas de adherencia son mucho mayores que las de cohesión.
- Que el líquido no moje, por ejemplo, mercurio en un recipiente de vidrio. Las fuerzas de cohesión son mayores que las de adherencia.
En los líquidos que mojan, la resultante de las fuerzas que actúan sobre las
moléculas próximas a la pared, está dirigida hacia el interior de la pared
(véase la figura de la derecha), por lo que
la forma de la superficie del líquido es cóncava. (menisco cóncavo).
En los líquidos que no mojan, la resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas próximas a la pared, está dirigida hacia el interior del líquido, por lo que la forma del la superficie del líquido será convexa (menisco convexo).
Recibe el nombre de ángulo θ de contacto, al formado por la tangente a la superficie del menisco en el punto de contacto con la pared. Este ángulo es agudo cuando el líquido moja y es obtuso cuando el líquido no moja.
Fenómenos capilares. Ley de Jurín
Si se coloca un capilar verticalmente en un recipiente de líquido que moje, el
líquido asciende por el capilar, hasta alcanzar determinada altura. Si el líquido no
moja, el nivel de líquido en el capilar es menor que en el recipiente.
Debido a la curvatura de una superficie se produce una sobrepresión en su interior, que ya hemos estudiado en anteriores páginas.
La superficie del menisco en el capilar se puede considerar como un casquete esférico de radio R.
La relación entre el radio del capilar r, el radio del menisco R y el ángulo de contacto θ , es.
r=Rcosθ
Debido a la curvatura de la superficie habrá una sobrepresión hacia el centro del menisco, que de acuerdo con la ley de Laplace (superficie de una cara), valdrá
Por efecto de esta sobrepresión, el líquido asciende una altura h.
Δ p=ρ gh
La altura h a la que asciende el nivel del líquido en el capilar será
Esta expresión es la denominada ley de Jurín:
La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo.
En esta experiencia simulada, supondremos que el ángulo de contacto θ de los líquidos con la pared del capilar es pequeño de modo que cosθ ≈ 1.
Actividades.
Se elige el líquido entre los disponibles en el control selección titulado Líquidos
Se pulsa el botón titulado Nuevo
Pulsando en el botón titulado Siguiente, se van utilizando
sucesivamente capilares de los siguientes radios r
0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0 mm
Se mide la altura h del líquido en cada uno de los capilares. Los datos, radio r del capilar, altura h se recogen en el control área de texto a la izquierda del applet.
Cuando se han recogido todos los pares de datos (radio del capilar, altura del nivel de líquido en el capilar), se pulsa el botón titulado Gráfica.
Se representa los datos "experimentales" de la altura h del líquido en el capilar en función de la inversa del radio 1/r del capilar, junto con la recta que pasa por dichos puntos, con lo que comprobamos la ley de Jurín
A partir de la medida de la pendiente de la recta, podemos obtener el valor de la tensión superficial del líquido considerado. Para ello, necesitamos el dato de la densidad del líquido seleccionado.
| Líquido | Densidad (kg/m3) |
| agua | 1000 |
| aceite | 900 |
| alcohol | 790 |
| glicerina | 1260 |
Ejemplo
Eligiendo como líquido el agua, la pendiente de la recta sale 14.897. Sabiendo que la densidad del agua es 1000 kg/m3 calcular el valor de su tensión superficial.
Como en la gráfica, las alturas h están en mm y las inversas de los radios r están en mm-1. La pendiente es 14.897 10-6 en el S. I. unidades. Conocida la pendiente se calcula el valor de la tensión superficial γ .