tensión superficial - Facultad de Ciencias Fisicas

LABORATORIO DE FÍSICA GENERAL 10ª Edición
DAFI – FCF – UNMSM
TENSIÓN SUPERFICIAL
EXPERIENCIA N° 07
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.
I.
OBJETIVO
•
II.
Determinar el coeficiente de tensión superficial de los líquidos, utilizando el
método de Rayleigh (clásico) y mediante el uso de un equipo automatizado (Cobra
3 Basic-Unit).
EQUIPOS / MATERIALES
Método Rayleigh (Clásico)
1 Soporte universal
1 Bureta, medir diámetro externo
1 Vaso de precipitados
1 Clamp
1 Termómetro
Líquidos: agua, alcohol, ron
Equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit)
1 Aro de medida de tensión superficial,
de diámetro promedio 19.5 mm.
1 PC con Windows XP/Windows 98.
1 Cobra3 Basic-Unit
1 Fuente de poder de 12 V/2A
1 Software Cobra3 Force/Tesla
1 Módulo de medición de Newton
1 Sensor Newton
1 Cronómetro
1 Varilla de 25 cm
1 Clamp
1 Plataforma de elevación vertical
1 Cubeta Petri, d= 20cm
1 Paño
1 Probeta de 100 ml
1 Accesorios de conexión
1 Trípode Base
III. FUNDAMENTO TEÓRICO
Las fuerzas moleculares que rodean una molécula en el
interior de un líquido actúan sobre ella desde todos lados;
ejerciéndose una presión isotrópica. La fuerza resultante
que actúa sobre una molécula localizada en la capa
superficial no es cero, debido a que la resultante está
dirigida hacia el interior del líquido, como se ilustra en la
figura 1.
Figura 1
EXP. N° 07 – TENSIÓN SUPERFICIAL
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Método de Rayleigh
Del análisis de la dinámica presente en la formación de una gota que se desprende de
un tubo cilíndrico de radio R, para un líquido que tiene un coeficiente de tensión
superficial α ; se observa que mientras la gota no se desprenda, tomará una forma tal
que la componente vertical de la fuerza de tensión superficial se equilibra con su peso;
la componente vertical de la fuerza de tensión superficial alcanzará su valor máximo en
el instante justo antes de que la gota se desprenda; en el momento que se desprende
se cumple a la siguiente relación:
mg = 2 π R α
 1   mg 


 2π   R 
α =
Donde:
(1)
(2)
m es la masa de la gota,
R es el radio externo de la punta de la bureta, y
α es el coeficiente de tensión superficial de líquido.
Debido a la condición de mínimo, las gotas de agua adoptan la forma esférica.
A partir de la ecuación (1) se podría determinar α , pero como ahí no se ha tenido en
cuenta el trabajo de deformación cilindro–esfera, el valor que se obtuviera no sería
exacto. Rayleigh retocó esta expresión, y encontró un modo empírico para determinar
α . Rectificó las constantes y llegó a la ecuación:
 5   mg 


 19   R 
α = 
(3)
Considerando un líquido de volumen V, de densidad ρ , y que en él hay un número N
de gotas, la masa de cada gota será:
m =
ρV
N
(4)
Por lo tanto se encuentra que:
 5  ρ V  g 

 
 19   N   R 
α =
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(5)
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IV. PROCEDIMIENTO
MONTAJE 1 – Método de Rayleigh
Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la figura 2.
Vierta en la bureta el líquido cuya tensión superficial desea determinar.
Mida la temperatura del líquido del interior de
la bureta. Anote el valor correspondiente en la
Tabla 1.
1.
2.
Use el vaso de precipitados como depósito de
descarga del líquido de la bureta.
3.
Tome dos puntos A y B como niveles de
referencia.
4.
Cuente el número de gotas de la porción de
líquido entre los niveles de referencia. Repita
este procedimiento no menos de 5 veces. Cada
vez anote en la Tabla 1 el número de gotas
para el volumen escogido.
5.
Repita los pasos del 1 al 5 para otros líquidos
(alcohol / ron, mezcla con agua)
Figura 2
Tabla 1
A temperatura ambiente:
H2O
Líquido
ρ
V
3
(g/cm )
(ml)
T = ………
Alcohol
N
(#gotas)
ρ
V
3
(g/cm )
(ml)
Marque: Ron / Mezcla
N
(#gotas)
ρ
V
3
(g/cm )
(ml)
N
(#gotas)
1
2
3
4
5
Promedio
Error Total
α
(dina/cm)
±
±
±
6. Ahora repita los pasos anteriores para T = 50°C y anote sus mediciones en la Tabla 2.
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Tabla 2.
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T = 50 0C
En baño María:
Alcohol
Líquido
ρ
(g/ccm3)
V
(ml)
N
(#gotas)
1
2
3
4
5
Promedio
Error Total
α
±
(dina/cm)
Equipo automatizado
Para incrementar el área de la superficie en
un líquido en un ΔA, se debe realizar un
trabajo ΔE.
ε = ΔE/ΔA
(6)
Donde, ε es la energía superficial específica
y es idéntica con la tensión superficial:
α = F/2l
(7)
La fuerza F actúa tangencialmente en el
borde de la longitud l del aro a fin de
mantener la película líquida. Cuando
usamos un aro de medición de radio r, la
longitud del borde es l = 2πr.
Figura 3
MONTAJE 2 – Método del anillo
Familiarícese con el equipo sensor de la unidad básica (Cobra
3) y monte el diseño experimental de la figura 3
1. Vierta líquido en la cubeta Petric hasta la mitad.
2. Suspenda el aro del gancho del sensor Newton. No
sumerja aún el anillo en el líquido.
3. Utilizando la plataforma de elevación vertical, girando la
manija negra, sumerja lentamente el aro hasta que esté
completamente cubierto por el líquido de estudio.
4. Con ayuda del profesor calibre el sensor (Figura 5 y 6).
5. Evite cualquier movimiento en la mesa de trabajo, ya que
el sistema es altamente sensible.
6. Inicie la medición en software menú.
EXP. N° 07 – TENSIÓN SUPERFICIAL
Figura 4
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7.
Con la ayuda de la plataforma de elevación vertical, descienda cuidadosamente la
cubeta Petric hasta que observe que la película de interface del líquido esté
tensionada hasta el límite (figura4).
8. Mantenga el aro tensionado por un tiempo de 10 s.
9. Al término de los 10s suba cuidadosamente cubeta Petric con la ayuda de la
plataforma de elevación.
10. Repita los pasos (c) al (e) al menos 4 veces.
11. Detenga la medición.
Figura 5
Figura 6
12. De la gráfica fuerza vs
tiempo que arroja el
programa
(figura
7),
seleccione
los
datos
correspondientes a la zona
de máxima tensión y copie
los datos a una hoja de
cálculo Excel y obtenga el
promedio para cada grupo
de datos (Fuerza tensora).
Valores promedio de la fuerza de tensión superficial
F
1
EXPERIMENTO N° 05
TENSIÓN SUPERFICIAL
ALUMNO:
MATRÍCULA:
EXP. N° 07 – TENSIÓN SUPERFICIAL
2
3
4
5
Promedio
Error
FECHA:
V.B
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V.
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EVALUACIÓN
1. Para el equipo automatizado, determine el coeficiente de tensión superficial
utilizando la ecuación 7. Con su error correspondiente. Recuerde que la longitud l
del aro debe estar en metros.
2. Calcule el error porcentual y evalúe si éste se encuentra en el valor estimado en el
error total.
3. Dé cinco ejemplos de aplicación práctica del fenómeno de tensión
superficial: En los campo de: ciencia, tecnología y el hogar.
4. El diámetro exterior e interior del aro son: 20,0 mm y 19,0 mm. Halle la
longitud sobre la cual la superficie tensora del líquido hace su acción.
5. Compare los resultados de ambos métodos. ¿Cuál es su opinión al
respecto?
V.
CONCLUSIONES.
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VI. RECOMENDACIONES.
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