Introduccion a la Fısica Experimental

Guıa de la experiencia

Determinacion de la tension superficial de un

lıquido.

Metodo del anillo o de Du Nouy.

Departamento de Fısica Aplicada.Universidad de Cantabria.

Febrero 28, 2005

Tenga en cuenta que la lectura previa de esta guıa y la comprobacion delas ecuaciones le llevara del orden de tres horas, incluyendo la consultade las palabras clave, y que la lectura de la bibliografıa especıfica en inglesle llevara entre una y dos horas.

Resumen

Se describe como desarrollar un metodo experimental para de-terminar la tension superficial de un lıquido utilizando un anillo,suspendido de uno de los brazos de una balanza de torsion de altasensibilidad, que se deja reposar sobre la superficie libre de dicholıquido, de manera que se puede medir la fuerza necesaria para queel anillo abandone dicha superficie.

Ası mismo, se estudia el efecto de la temperatura y de las im-purezas y/o detergentes en el valor de la tension superficial.

Introduccion

En el contexto de la Termodinamica, la tension superficial es una manifestacionde la tendencia de un lıquido a disminuir su superficie hasta que su energıapotencial de superficie sea mınima, que es la condicion para que el equilibriosea estable. Desde el punto de vista de la Mecanica, la tension superficial deun lıquido se define como el trabajo necesario para aumentar, a temperaturaconstante y de modo reversible, el area de una superficie del lıquido en unaunidad. Tambien puede interpretarse como la fuerza por unidad de longitudque actua a traves de cualquier lınea de superficie, tendiendo a evitar que susuperficie aumente.

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La tension superficial de un lıquido depende unicamente de la temperaturay de su naturaleza. La variacion de la tension superficial con la temperatura,para la mayorıa de los lıquidos puros, viene dada por una expresion del tipo:

σ = σ0

(1− T

TC

)n

, (1)

donde σ0 es la tension superficial, T = 0 ◦C, T es la temperatura en gradosCelsius, y TC es la temperatura crıtica del lıquido. El exponente n en la Ec. (1)toma valores entre 1 y 2.

El metodo del tensiometro de Du Nouy (instrumento muy delicado, por loque debe ser manejado con especial cuidado) para medir la tension superfi-cial de un lıquido se basa en medir la fuerza necesaria para separar un anillometalico, suspendido del brazo de una balanza de torsion de gran precision, dela superficie del lıquido. La fuerza F aplicada al anillo necesaria para despe-garlo esta relacionada con la tension superficial (o interfase) σ por la expresion:

σ =F

4πr, (2)

siendo r el radio medio del anillo. El factor 4 hace referencia a que la tensionsuperficial actua sobre toda la circunferencia del anillo de longitud 2πr, aambos lados de este (ya que el anillo tiene un cierto espesor). En ocasiones seemplea un factor corrector que da cuenta de una pequenısima proporcion delıquido que puede quedar adherido al anillo. Mediante el empleo de la balanzade torsion, se puede medir la fuerza F con lo que la tension superficial se puedecalcular a partir de la fuerza medida y la Ec. (2).

Figura 1: Diverso material utilizado en las experiencias de la medida de la tension superficialpor el metodo del anillo. Dinamometro de torsion, anillo y cristalizador y pie soporteregulable en altura.

Descripcion del material

Para llevar a cabo este tipo de experiencias se utiliza el siguiente material (verFig. 1):

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1. Un dinamometro de torsion.

2. Un anillo metalico.

3. Un cristalizador o un vaso de precipitados.

4. Lıquido problema.

5. Plataforma de altura regulable.

6. Calefactor electrico.

7. Termometro digital.

8. Agitador magnetico.

Reflexiones previas a la realizacion del experimento

Figura 2: Teorıa molecular de la tension superficial. Una molecula en el seno del lıquido estarodeada de otras moleculas de forma simetrica mientras que una molecula en la superficiesolo tiene moleculas por debajo de ella.

1. ¿Que es la tension superficial? Trate de explicar cualitativamente suorigen a partir del analisis de dos moleculas, una situada en el interiordel lıquido y otra en su superficie (ver Fig. 2).

2. ¿De que depende la tension superficial? ¿En que unidades se mide?¿Sabrıa explicar cualitativamente por que depende de la temperatura?¿Es posible que la tension superficial de un cierto lıquido llegue a sercero?

3. Cite un par de fenomenos donde se aprecie la tension superficial. ¿Porque una gota de agua en un laboratorio espacial (orbitando a 400 km dealtura) es esferica?

4. ¿Que dice la ley de Tate? Consulte la bibliografıa y justifique la Ec. (1).

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Figura 3: Preparacion del anillo sobre la superficie del lıquido. Comience a medir a partir apartir de la posicion 5, hasta que se produzca justamente el desprendimiento de la pelıculade lıquido.

Indicaciones

Limpie bien el anillo con agua destilada y verifique que no este engrasado. Estaoperacion ha de hacerse con sumo cuidado para evitar cualquier deformaciondel anillo. Se acopla el anillo al brazo izquierdo del dinamometro de torsioncuando este este bloqueado. Contacte con el profesor de practicas para queobtenga el cero de la balanza.

(1)

(2)

(a)

Figura 4: Montaje experimental antiguo para medir la tension superficial por el metodo delanillo. (1) Balanza hidrostatica; (2) caja de pesas; (a) anillo.

NOTA: Se ruega extrema delicadeza en el manejo del dinamometro.Es muy sensible y esta calibrado para medir fuerzas muy debiles.Gire las ruedas muy suavemente.

4

(1)

(a)

(t)

(c)

(pr)

Figura 5: Montaje experimental moderno para medir la tension superficial por el metododel anillo. (1) Dinamometro de precision; (a) anillo; (t) termometro, (c) calefactor, (pr) pieregulable en altura.

a) Variacion de la tension superficial de un lıquido con la temperatura.

Se vierte el lıquido problema en el vaso de precipitados, que se situa so-bre la plataforma cuya altura se regula para dejar que el anillo se apoyeen la superficie del lıquido (en la posicion 5 de la Fig. 3). Ası, la bal-anza se desequilibra porque, ahora, actua la tension superficial sobre elanillo. Se recupera el equilibrio girando muy lentamente la rosca frontalhasta que se aplique la fuerza ascensional necesaria para romper la su-perficie del lıquido de manera que el anillo abandone la superficie. Enese momento, se anotaran la lectura del dinamometro y la temperaturadel lıquido. Se comienza con agua a temperatura ambiente y se calientalentamente mediante el calefactor electrico tomando puntos cada 10 ◦C(hasta una temperatura proxima a 75 ◦C). Es esencial que el anillo reposehorizontalmente sobre la superficie libre del lıquido y que el sistema noeste sometido a vibraciones.

Repita el procedimiento un mınimo de 5 veces.

Muestre en un esquema las fuerzas que actuan sobre el anillo.

Represente graficamente la tension superficial (σ) en funcion de la tem-peratura.

Elabore las tablas, los graficos y el calculo de errores segun las normas.

Elabore el informe correspondiente a este experimento segun las normas.

b) Variacion de la tension superficial de una mezcla de lıquidos con el por-centaje de mezcla.

Repita el procedimiento anterior, ahora a temperatura ambiente, uti-lizando una mezcla de agua y alcohol para cuatro porcentajes de alcohol:

5

T/ºC

σ / m

N m

-1Figura 6: Variacion de la tension superficial del agua con la temperatura (Ref. [1]).

20, 40, 60 y 80 %.

Represente graficamente los resultados.

t/◦C σ × 103/N m−1 t/◦C σ × 103/N m−1

0 75,7 30 71,210 74,2 40 69,615 73,5 50 68,920 72,5 60 66,225 72,0 70 64,4

Tabla 1: Variacion de la tension superficial del agua con la temperatura.

Preguntas adicionales relacionadas con la experiencia

1. Una vez determinada la tension superficial mediante la Ec. 1, contrastelos resultados obtenidos con los que se encuentran en la bibliografıa.¿Cuales son las posibles fuentes de error?

2. ¿Que le ocurre a la tension superficial con la temperatura? ¿Cual cree quees la causa de este comportamiento? ¿Es posible ajustar los resultadosde acuerdo con una dependencia dada por la Ec. 1?

3. ¿Que otro metodo se puede emplear para medir la tension superficial?

4. ¿Como cree que afectarıa a la tension superficial del lıquido el empleo dedetergentes?

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Referencias

[1] F. W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young y R. A. Freeman, FısicaUniversitaria, Ed. Addison Wesley Longman, 9a Ed., Mexico (1998), pp.434-438

[2] J. M. de Juana Sardon, Fısica General, I, Ed. Alambra Universidad,Madrid (2000), pp. 281-292

[3] M. W. Zemansky y R. H. Dittman, Calor y termodinamica, Ed. McGraw-Hill, 6a Ed., Madrid (1994)

[4] W. Burger, Curiosidades de la fısica. Tensiones superficiales, Investigaciony Ciencia 306(Marzo), 83-85 (2002)

[5] J Pellicer, J A Manzanares and S Mafe, The physical description of ele-mentary surface phenomena. Thermodynamics versus mechanics, Am. J.Phys. 63, 542-547 (1995)

[6] E. P. Clancy, ‘Do it yourself ’ measurement of surface tension, Am. J.Phys. 26, 341-342 (1958)

[7] F. L. Roman, J. Faro, S. Velasco, A simple experiment for measuring thesurface tension of soap solutions, 69, 920-921 (2001)

[8] S. J. Palmer, The effect of temperature on surface tension, Physics Educ.11, 119-120 (1976)

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