Tensión superficial


En esta sección nos ocuparemos de interfases que pueden alterar su forma para alcanzar un equilibrio.  Los ejemplos más sencillos son los meniscos formados por líquidos confinados dentro de tubos estrechos, la superficie esférica de una gota y la película que forma una burbuja de jabón.

Definición física y termodinámica.

El siguiente experimento imaginario nos ayudará a comprender la definición física de la tensión superficial:
armazon


Consideremos un armazón cuadrangular de alambre, el cual consta de tres lados fijos y un lado movible de longitud l. El armazón soporta una película de agua jabonosa de área superficial s. Es posible entonces aumentar el área superficial jalando el lado movible una distancia (delta)x. Al mover el lado una cierta distancia efectuamos un trabajo proporcional a la distancia x recorrida:

W proporcional a (delta)x


Transformando la proporcionalidad en una igualdad:

W = (gamma)l(delta)x


Sabiendo que:

(delta)Area = l(delta)x
W = (gamma)(delta)s


Si el incremento (delta)x es infinitesimal:

dW = (gamma)ds


Lo cual significa que para aumentar el área superficial se requiere efectuar un trabajo. A la constante de proporcionalidad (gamma) le llamamos tensión superficial. Las unidades de la tensión superficial corresponden a un trabajo por unidad de área (ergios/cm²) o fuerza por unidad de longitud (dinas/cm). 


Ejercicio: Demostrar que ambas unidades son idénticas dimensionalmente. 

¿Cuál es el origen del trabajo necesario para modificar el área superficial?. Consideremos lo que ocurre con una molécula dentro de la masa de un líquido. La molécula interactúa con otras de su misma especie. Dado que la molécula se encuentra completamente rodeada por otras, el efecto promedio es una cancelación de dichas interacciones. No así en una interfase. Para formar o extender una interfase se requiere efectuar un trabajo. Para entender esto, veamos una imagen simplificada de lo que ocurre en la superficie de un líquido a nivel microscópico:

Desbalance

Las moléculas en una interfase entre dos líquidos A y B pueden poseer una fuerza de interacción neta. Formalmente, en una interfase podemos considerar tres casos con respecto a la intensidad y duración de las interacciones entre las moléculas de A y B:

  1. Las atracciones A-A y B-B son más fuertes y de más larga vida media que la atracción A-B (agua y octano).
  2. Las atracciones A-A, B-B y A-B son de intensidad y duración similares (octano y hexano).
  3. Las atracciones A-B son más fuertes y duran más tiempo que aquellas entre A-A y B-B (agua y etanol).
Los casos 2 y 3 describen líquidos miscibles mutuamente, por lo cual no se formaría una interfase. Del caso 1 se deduce que la fuerza de interacción resultante sobre una molécula de A tiende a ?jalar? la molécula hacia la masa del líquido, lo mismo sucede en el líquido B. Entonces se presenta un límite bien definido entre los líquidos A y B.

El que las moléculas de la superficie estén tratando continuamente de internarse en la masa del líquido, significa que el número de moléculas en la superficie tiende a ser el mínimo, resultando en una área superficial mínima.

Para un tratamiento termodinámico, podemos añadir a la energía libre de Gibbs el trabajo empleado en modificar una superficie, por medio de la siguiente ecuación:

dG = -SdT + VdP + (gamma)ds
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Ultima actualización de esta página: 22 de septiembre de 1999

Encargado de la página: Dr. Víctor Manuel Rosas García.
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Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Nuevo León
San Nicolás de los Garza, NL, México.