La tensión superficial

 La tensión superficial

Muchas veces hemos observado que pequeños insectos permanecen sustentados en la superficie libre del agua de un recipiente o un estanque. Como los  insectos tienen peso, es de suponer que existe una fuerza neta en sentido contrario, es decir dirigida hacia arriba, que se opone a sus hundimientos. Esta fuerza se origina, por la interacción molecular en la interfase de separación que se forma entre el agua y la superficie de las patas. Este simple hecho da cuenta de que, en la superficie libre del agua se forma una película muy delgada.

          
      El agua, como cualquier líquido, tiene una superficie con propiedades parecidas a la de una membrana elástica generada por la interacción entre sus propias moléculas y la interacción de sus moléculas con las del  aire que le rodea.

En un líquido, cada molécula está sometida a la acción de sus vecinas más cercanas; por debajo de la superficie libre, las fuerzas atractivas (de naturaleza eléctrica) sobre una molécula particular, tienen la misma magnitud en todas las direcciones, y por consiguiente en promedio, la suma se anula. En cambio, las moléculas que se encuentran en la superficie (interfase) de separación de los dos medios están rodeadas en la parte inferior por moléculas iguales (agua), y por encima por moléculas diferentes (aire). Por lo tanto, existen más moléculas por debajo que por arriba, puesto que la densidad del medio inferior (agua) es mayor que la densidad del medio superior (aire). Debido a la asimetría existente, la fuerza neta (dirigida hacia abajo) de las moléculas de agua es de mayor magnitud que la fuerza neta (dirigida hacia arriba) de las moléculas de aire; por lo tanto, la fuerza resultante estará dirigida  hacia el interior del líquido y perpendicular a su superficie, como se indica en la figura I.28. Así que, la fuerza resultante sobre las moléculas de la interface (dirigida hacia abajo) y que tiende a arrastralas hacia el interior del líquido, es la responsable de que aparezca una membrana elástica en su superficie libre. Tal membrana está tensa, es decir tiene una tensión superficial. En consecuencia, se requiere de cierto gasto energético para efectuar un trabajo (negativo) que permita desplazar las moléculas desde el interior del líquido hasta su superficie. Es por esto que las moléculas en la superficie tienen mayor energía potencial. Este proceso es equivalente a levantar un objeto en el campo gravitacional terrestre; con esta acción se le incrementa su energía potencial.

Tal membrana se puede deformar con la aplicación de una fuerza; al deformarse, se estira y aumenta su superficie. Al estirarla, se está desplazando desde el interior del líquido cierta cantidad de moléculas a la superficie; por supuesto, para poder estirarla y aumentar su superficie, hay que realizar un trabajo mecánico con el correspondiente gasto energético. Al dejar de aplicar la fuerza, la membrana adopta la forma y el tamaño que corresponda a la mínima configuración energética donde permanece en equilibrio estable de nuevo.

La tensión en la superficie de la membrana se puede medir. Así que, se define la tensión superficial como el trabajo que se debe realizar para desplazar cierto número de moléculas desde el interior del líquido hasta la superficie y aumentar la superficie en una unidad. Se mide con el coeficiente de tensión superficial γ, definido  de la siguiente manera: ΔU = - γ ΔS, donde ΔU es el trabajo requerido para aumentar la superficie del líquido en la cantidad ΔS, y el signo negativo significa que al aumentar la superficie se efectúa  un trabajo negativo. Por ejemplo, para el agua, con una interfase con aire, el coeficiente es de 73 erg/cm²; esto significa que, se requieren de 73 erg para incrementar la superficie de una membrana de agua en 1 cm².

La tensión superficial origina una especie de membrana en los líquidos que la mantiene tensa con una fuerza tangencial y en dirección perpendicular en todo punto de su borde. La tensión de esta membrana, en el caso del agua pura, depende de la temperatura; a mayor temperatura, menor es el valor del coeficiente de tensión superficial y la membrana es más fácil de estirar. El mismo efecto se puede lograr agregando un poquito de jabón al agua. Con los experimentos que se proponen a continuación  se aclararán estos conceptos.

La tensión superficial es la responsable de la forma esférica que adoptan las gotas de los líquidos (figura I.29), por la tendencia que tienen de ocupar la menor superficie posible con ese volumen, donde las moléculas superficiales adoptan la configuración de mínima energía; también es la responsable de qué objetos pequeños de mayor densidad que el agua floten en su superficie y no se hunda en ésta (figura I.30); de qué el agua moje algunos materiales y a otros no; y que se puedan hacer burbujas gigantes de jabón.

Para experimentar: Con un aro de unos 10 cm de diámetro y una solución jabonosa se puede comprobar la existencia de una fuerza tensora en una membrana de agua. En tal sentido, se introduce el aro en la solución  y se saca al aire. Observaremos que se forma una película como se indica en la figura I.31 A. Cuando una parte de la película se rompe, pinchándola con una aguja en la parte superior, la fuerza tangencial de la tensión superficial de la película de la región inferior, tensa al hilo sobre toda su extensión como se muestra en la figura I.31 B. 

        Por otra parte, en la figura I.32 A  se  colocó un hilo atado por sus extremos dentro de la película. Podemos observar que el hilo se posiciona en cualquier parte de la película porque por ambos lados del hilo actúa la tensión superficial y en consecuencia la fuerza es nula. Pero al romper la película dentro del hilo, este adopta la forma de circunferencia por la acción de la fuerza de tensión superficial que ejerce la solución jabonosa (figura I.32 B). Cabe mencionar que estas películas tienen dos superficies y cada una actúa con una tensión sobre la membrana.