TENSIÓN SUPERFICIAL

TENSIÓN SUPERFICIAL: Es una característica de los suelos de generar esfuerzos de manera que pueda resistir pesos en función de las características del fluido.

Tensión superficial es una propiedad de las superficies de los líquidos.

F= ( π D ) 2T 𝑻 = 𝑭 𝟐 𝛑 𝐃 En donde: T = Tensión superficial F= fuerza D= diámetro.

La superficie de cualquier líquido se comporta como si sobre esta existe una membrana a tensión. A este fenómeno se le conoce como tensión superficial. La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.

¿Por qué las gotas de agua no son cuadradas o triangulares, sino que tienden a ser esférica?

Las fuerzas de tensión superficial tienden a minimizar la energía en la superficie del fluido haciendo que estas tengan una tendencia a una forma esférica, las moléculas establecen interacciones atractivas que las mantienen cohesionadas. En el interior, una molécula de agua está rodeada de otras de su misma especie, las interacciones se distribuyen en todas las direcciones sin existir ninguna privilegiada. Sin embargo en la interface que limita la gota y la separa del aire, la situación es diferente. Una molécula de agua que ocupe cualquier posición de esta superficie, no tiene a otras sobre ella, lo que significa que no está sometida a interacciones con otras moléculas de agua, más allá de la interface. En consecuencia se da una asimetría en la distribución de interacciones y la aparición de una fuerza resultante neta que apunta hacia el interior de la gota.

¿Porque se da la tensión superficial?

La tensión superficial existe en la superficie de un líquido expuesto al aire es debida a la atracción intermolecular que la masa del líquido ejerce sobre aquellas moléculas situadas en la superficie.

Esta figura muestra el diagrama de fuerzas actuando sobre el cuerpo, nótese que el peso es equilibrado por la tensión superficial del agua.

La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. Líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada.

¿Porque la tensión superficial del agua es superior a los demás líquidos?

Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrogeno y estos representan

una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos. Eter liquido………17dinas/cm Alcohol………….. 22 dinas/cm Benzeno………….29 dinas/cm Agua…………..…72.7 dinas/cm Mercurio………….430 dinas/cm

Tensión Superficial en el Suelo

En los suelos de grano grueso, la mayor parte del agua retenida lo es por tensión superficial, que se presenta alrededor de los puntos de contacto entre las partículas sólidas o en los poros y conductos capilares del suelo.

Naturaleza de la Deformación del Suelo Fuerzas de Contacto entre partículas adyacentes

Deformaciones elásticas y plásticas de partículas en puntos o zonas de contacto.

Naturaleza de la Deformación del Suelo Fractura y Aplastamiento de partículas con aumento de área de contacto

Flexión de “láminas” con movimiento relativo entre partículas adyacentes

Deslizamiento relativo entre partículas cuando T > Resistencia tangencial

Deformación general del suelo

Deformaciones individuales de partículas + Deslizamiento relativo entre partículas.

(Deformación de masa de suelo controlada por interacciones entre partículas individuales, especialmente por deslizamiento entre las mismas (fricción, adhesión))

¿Qué es cohesión?

Esta fuerza es debida a atracción molecular en razón, a que las partículas de arcilla presentan carga superficial, la cohesión es la atracción entre las moléculas de una misma naturaleza ¿la adhesión es la atracción entre moléculas de diferentes sustancias.

Se debe a la tensión superficial que se presenta entre las partículas de suelo y las moléculas de agua. Sin embargo, cuando el contenido de agua aumenta, excesivamente, la adhesión tiende a disminuir. El efecto de la adhesión es mantener unidas las partículas por lo cual depende de la proporción Agua/Aire.

La cohesión aparente, que pueden presentar taludes de arena que se han mantenido estables, se explica por la humedad de contacto. Ella la ejerce la pequeña cantidad de agua que puede mantenerse, sin caer, rodeando los puntos de contacto entre los diminutos granos de arena, gracias a fuerzas de adherencia entre el líquido y el sólido y de tensión superficial, que se oponen a la gravedad.

Ejercicio

1. Si la fuerza requerida para separar un anillo de DuNoy de 4 cm. de diámetro de la superficie de un líquido es de 18.6g ¿Cuál es el valor de la tensión superficial del líquido?

CAPILARIDAD

¿Qué es la capilaridad?

Es la propiedad que tienen los líquidos, que depende de su tensión superficial, que le otorga la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar de un radio determinado.

Capilaridad. Es un fenómeno debido a la interacción de las moléculas del líquido y las moléculas de los cuerpos sólidos que hace que la superficie del líquido se curve junto a la superficie del sólido.

a) El ángulo de contacto es menor de 90° b) El ángulo de contacto es mayor de 90°

a) Forma cóncava b) Forma convexo

o De acuerdo a la figura (a) el ángulo de contacto es menor de 90° y se observa que el líquido moja la superficie de la parte sólida.

o De acuerdo a la figura (b) el ángulo de contacto es mayor de 90° y se observa que el líquido no moja la superficie de la parte sólida.

o La máxima tensión es cuando el menisco es 0°

La Humedad por Capilaridad es un fenómeno natural que se produce por la absorción del agua a través de materiales porosos como lo son todos los materiales de construcción.

Esto es lo que hace, que el agua del subsuelo, en casos de terrenos húmedos, o empapados por la lluvia, ascienda a través de los pequeños poros del material empleado (como el ladrillo y mortero), mojando la pared y presentando, las típicas manchas blancas de salitre.

caída del revestimiento, manchas, mohos, malos olores, salitre, ácaros, etc.

Este tipo de humedades, es muy frecuente, en construcciones de principios de siglo, de ladrillo macizo, de mampostería o tapial, que su cimiento se realizaba igualmente con materiales porosos. Hay veces, que aunque la edificación disponga de sótano, se ven las paredes de éste todas humedecidas, ascendiendo el agua a través de ellas, hasta salir en la planta baja.

Capilaridad de Aguas Freáticas

En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático.

Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para poder que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos.

Fuerza hacia arriba Fuerza hacia abajo

T. cosθ 2π r π r2 _{h ﻻw}

Equilibrio

T. cosθ 2π r = π r2 _{h ﻻw}

Dónde:

T= tensión superficial (dinas/cm) (g/cm) θ= ángulo de contacto

ﻻw= densidad del líquido (peso específico) (g/cm3₎

r= radio del tubo capilar (cm) h= altura capilar (cm)

Elevación capilar en los suelos

La altura típica que alcanza la elevación capilar para diferentes suelos es: Arena gruesa 2 a 5 cm,

Arena media 12 a 35 cm, Arena fina 35 a 70 cm, Limo 70 a 150 cm,

Arcilla 200 a 400 cm y más.

Gracias al fenómeno de la Tensión superficial y Capilaridad, existe un incremento de agua a la capa activa del suelo.

𝒉 =𝟐 𝑻 𝒄𝒐𝒔 𝜽 𝒓 𝜸_𝒘

Ejercicios

1. Se tiene en el laboratorio 2 tubos capilares llenos con líquido de agua, de diámetro 6mm y 4mm respectivamente. La altura de elevación capilar en ambos tubos es la misma, siendo máximo en el primer tubo, y considerando que el ángulo de contacto que hace con el tubo capilar es de 0°. Se desea conocer el ángulo de contacto del líquido en el segundo tubo.

2. Cuál será la altura que alcance el agua en un tubo vertical con D= 0.4mm, si su ángulo es 30°.

3. Un tubo de vidrio de diámetro interior 0.5mm, se introduce verticalmente en un recipiente de mercurio, de modo que su extremo inferior quede 1cm, por debajo de la superficie del mismo. A que altura se elevara el mercurio en el tubo, si la presión del aire en el mismo es 3x104 dinas/cm2 por debajo de la atmosfera. El ángulo de contacto entre el mercurio y el vidrio es 140°, y el peso específico del mercurio es 13.6g/cm3