Cómo medir la tensión superficial

La tensión superficial se refiere a la capacidad de un líquido para resistir la fuerza de la gravedad. Por ejemplo, el agua forma gotitas sobre una mesa porque las moléculas de agua en la superficie se agrupan juntas contra la fuerza de la gravedad.^[1] La tensión superficial es lo que permite que un objeto más denso, como un insecto, pueda flotar en la superficie del agua. La tensión superficial se mide por la cantidad de fuerza (N) ejercida sobre una unidad, como la longitud (m) o la cantidad de energía de un área medida. Estos se miden como Newton por metro (o N / metro).^[2] Las fuerzas que ejercen las moléculas de agua entre sí, o fuerzas de cohesión, causan la tensión y son responsables de la forma de las gotas de agua (u otro líquido). Puede medir la tensión superficial con algunos artículos domésticos y una calculadora.

Método uno de tres:
Medición de la tensión superficial con una barra de compensación

1. 1 Define la ecuación para resolver la tensión superficial. En este experimento, la ecuación para la tensión superficial será determinada por la ecuación F = 2sd. F es la fuerza en newtons (N), s es la tensión superficial en (N / m), y re es la longitud de la aguja utilizada en el experimento. Reordenando la ecuación para resolver los rendimientos de tensión superficial s = F / 2d.
   • La fuerza se calculará al final del experimento.
   • Mida la longitud de la aguja en metros con una regla antes de comenzar el experimento.
2. 2 Construya una pequeña viga de equilibrio.^[3] En este experimento, usará una barra de equilibrio y una pequeña aguja flotando en la superficie del agua para medir la tensión superficial. La barra de equilibrio debe estar bien construida para que pueda obtener un resultado preciso. Puede usar diferentes tipos de materiales para esto, solo asegúrese de que la viga central sea algo resistente como la madera, el plástico o el cartón denso.
   • Marque el centro del material que se utilizará para su viga (paja, regla de plástico) y taladre o haga un agujero a través de él; este será el punto de apoyo (el punto que permite que la viga gire libremente). Si está usando una pajita de plástico, puede introducir un alfiler o clavarla.
   • Taladre o haga un agujero en cada extremo de la viga, asegurándose de que estén a la misma distancia del centro. Pase una cuerda por cada orificio para servir como soportes para los platos de equilibrio. Asegúrese de que haya 1 cuerda por cada hoyo en cada extremo.
   • Descanse la uña horizontalmente entre dos pilas de libros para que la viga central pueda girar libremente.
3. 3 Dobla un trozo de papel de aluminio para formar una caja o plato. El plato no tiene que ser exactamente cuadrado o redondo. El plato se llenará con agua u otro peso, así que asegúrese de que sea lo suficientemente resistente como para soportar esto.
   • Cuelgue la caja o plato desde un extremo de la viga. Haga pequeños agujeros en los costados del plato y ensarte la cuerda para sostener el plato.
4. 4 Cuelgue una aguja o un clip de papel horizontalmente desde el otro extremo de la viga con hilo. En el lado opuesto de la viga, ate un clip o una aguja al extremo de la cuerda para que quede plana. Para que el experimento funcione, es importante que el clip o la aguja sea horizontal.
5. 5 Coloque una pieza de material como arcilla o play-doh en la viga para contrarrestar el contenedor de aluminio. Antes de comenzar el experimento, debes asegurarte de que el haz esté plano. El plato será más pesado que la aguja, haciendo que la viga baje en la dirección del plato. Agregue suficiente arcilla al lado opuesto del rayo para que el rayo esté nivelado.
   • Esto se llama contrapeso. La arcilla no afecta los cálculos porque está equilibrando el haz.
6. 6 Coloque la aguja o clip que cuelga de la viga en un recipiente de agua. Este paso puede requerir un esfuerzo adicional para garantizar que la aguja descansa justo en la parte superior de la superficie del agua. No quieres que la aguja se sumerja en el agua. Llene un recipiente con agua (u otro líquido de tensión superficial desconocida) y colóquelo debajo de la aguja a una altura que permita que la aguja descanse directamente sobre la superficie.
   • Asegúrese de que la cuerda que sujeta la aguja en su lugar permanezca tensa una vez que la aguja esté en la parte superior del agua.
7. 7 Pese un lote de alfileres o varias gotas de agua medidas en una pequeña escala postal. Agregará alfileres o gotas de agua de a una por vez al plato de aluminio que construyó anteriormente. Para el cálculo, es importante saber exactamente cuánto peso se necesita para sacar la aguja del agua.
   • Cuente una cantidad de clavos o gotas de agua y péselos.
   • Determine el peso individual de cada gota o clavija dividiendo el peso total entre la cantidad de clavos o gotas de agua.
   • Por ejemplo, digamos que 30 pines pesan 15 gramos: 15/30 = 0.5. Cada pin pesa 0.5 gramos.
8. 8 Agregue los alfileres o las gotas de agua de una en una a su contenedor de papel de aluminio hasta que la aguja se libere de la superficie del agua. Lentamente agregue un alfiler o una gota de agua al plato de aluminio con un alfiler / gota a la vez. Mira la aguja de cerca para ver si sale del agua con cada nueva adición. Deje de agregar alfileres / gotas una vez que la aguja ya no esté en contacto con la superficie del agua.
   • Cuente la cantidad de pasadores o gotas de agua que se necesitan para quitar el contrapeso de la superficie del agua.
   • Registre cada lectura.
   • Repita el ejercicio varias veces (5 o 6) para obtener lecturas más precisas.
   • Calcule un promedio de los resultados sumando el número total de pines necesarios en cada prueba y dividiéndolo por el número total de ensayos.
9. 9 Convierta la medida de los pines en fuerza multiplicando el número de gramos por 0.00981 N / g. Para calcular la tensión superficial, necesita conocer la cantidad total de fuerza requerida para extraer la aguja de la superficie del líquido.Debido a que pesó los pines en el paso anterior, puede hacer fácilmente este cálculo utilizando el factor de conversión 0.00981 N / g.^[4]
   • Multiplique la cantidad de pines añadidos al plato por el peso de cada pin. Por ejemplo, 5 pines a 0.5 g / pin = 5 x 0.5 = 2.5 g.
   • Multiplique la cantidad de gramos por el factor de conversión 0.00981 N / g: 2.5 x 0.00981 = 0.025 N.
10. 10 Conecta las variables en la ecuación y resuelve. Usando las medidas que recopiló a lo largo del experimento, ahora puede resolver la fuerza. Simplemente conecte los números en la variable correcta y resuelva usando el orden apropiado de operaciones.
    • Continuando con nuestro ejemplo, digamos que la aguja tenía 0.025 m de largo. Al tapar las variables en la ecuación, se obtiene: S = F / 2d = 0.025 N / (2 x 0.025) = 0.05 N / m. La tensión superficial del líquido es 0.05 N / m.

Método dos de tres:
Medición de la tensión superficial con acción capilar

1. 1 Comprender la acción capilar. Para comprender la acción capilar, primero necesita comprender la adhesión y las fuerzas de cohesión. La adherencia es la fuerza que hace que un líquido se pegue a una superficie sólida, como el borde de un vaso. Las fuerzas cohesivas son aquellas que atraen moléculas líquidas entre sí.^[5] La combinación de fuerzas de adhesión y cohesión hace que un líquido se eleve por el centro de un tubo delgado.
   • La altura en que se eleva el líquido puede usarse para calcular la tensión superficial de ese líquido.
   • La cohesión hace que el agua forme burbujas o gotitas en una superficie. Cuando un líquido está en contacto con el aire, las moléculas sienten fuerzas atractivas entre sí y forman una burbuja en la superficie.
   • La adherencia causa el menisco que se ve en los líquidos cuando se adhieren a los lados de un vaso. Es la forma cóncava en la parte superior del líquido visto a nivel de los ojos.^[6]
   • Un ejemplo de acción capilar es ver el aumento de agua en una pajita colocada en una taza de agua.
2. 2 Define la ecuación para resolver la tensión superficial. La tensión superficial está dada por la ecuación S = (ρhga / 2) dónde S es la tensión superficial, ρ (o rho) es la densidad del líquido que estás midiendo, h es la altura que el líquido se eleva en el tubo, gramo es la aceleración debida a la gravedad que actúa sobre el líquido (9.8 m / s²) y un es el radio del tubo capilar.^[7]
   • Al trabajar a través de esta ecuación, asegúrese de que todas sus unidades estén en la forma métrica adecuada: densidad en kg / m.³, altura y radio en metros y gravedad en m / s².
   • Si no se proporciona la densidad del líquido, puede buscarlo en un libro de referencia o calcularlo usando la ecuación densidad = masa / volumen.
   • La unidad para tensión superficial es un newton por metro (N / m). A Newton es igual a 1 kg-m / s².^[8] Para calcular las unidades por su cuenta, simplemente resuelva la ecuación con solo unidades. S = kg / m³ * m * m / s² * m. Dos de las unidades del medidor cancelan dos de las unidades por metro y le quedan 1 kg-m / s²/ m o 1 N / m.
3. 3 Llene un recipiente con el líquido de tensión superficial desconocida. Usando un plato o tazón poco profundo, llénelo con aproximadamente una pulgada del líquido en cuestión. La cantidad de líquido agregado no importa siempre que pueda ver claramente el aumento de líquido dentro del tubo capilar.
   • Si repite esto con líquidos diferentes, asegúrese de que el plato esté completamente limpio y seco antes de agregar el siguiente líquido. Alternativamente, solo use platos separados para cada líquido.
4. 4 Coloque un tubo claro y delgado en el líquido. Este es el tubo del que tomará sus medidas para calcular la tensión superficial. El tubo debe estar despejado para que pueda ver hasta qué punto el líquido se eleva por encima del nivel en el plato. El tubo también debe tener el mismo radio en todas partes.
   • Para medir el radio, simplemente coloque una regla en la parte superior del tubo y determine el diámetro. Divide el diámetro por 2 y tienes el radio.
   • Puede comprar estos tubos en línea o en una ferretería.
5. 5 Mida la altura en que el líquido se eleva por encima del líquido en el contenedor. Coloque la parte inferior de una regla directamente sobre el líquido en el plato y mida qué tan alto ha subido el líquido al tubo. El agua se eleva debido a que la fuerza hacia arriba de la tensión superficial es mayor que la fuerza de gravedad hacia abajo.^[9]
6. 6 Conecta los valores medidos en la ecuación y resuelve. Una vez que haya determinado todas las variables necesarias, puede conectarlas a la fórmula y resolver la tensión superficial. Recuerde convertir todos sus valores en métricos para que el problema se pueda resolver de manera adecuada.
   • Por ejemplo, digamos que estamos midiendo la tensión superficial del agua. El agua tiene una densidad de alrededor de 1 kg / m³ (usaremos valores aproximados en este ejemplo).^[10] La variable g siempre es 9.8 m / s². El radio del tubo es .029 m y el agua sube 0.5 m. ¿Cuál es la tensión superficial del agua?
   • Al tapar las variables en la ecuación, se obtiene: S = (ρhga / 2) = (1 x 9.8 x 0.029 x 0.5) / 2 = 0.1421 / 2 = 0.071 J / m².

Método tres de tres:
Medición de la tensión superficial relativa con un penique

1. 1 Reúna sus materiales. Para este experimento necesitarás un cuentagotas, un centavo seco, agua, un recipiente pequeño, jabón para lavar platos, aceite y una toalla. La mayoría de estos artículos se pueden encontrar en la casa o comprados en la tienda de comestibles. No tiene que usar detergente y aceite, pero querrá diferentes líquidos para comparar las tensiones superficiales.
   • Asegúrese de que el centavo esté completamente limpio y seco antes de comenzar el experimento. Si hay otros líquidos en el centavo, el experimento no será preciso.
   • Este experimento no le permite calcular la tensión superficial, sino simplemente determinar las tensiones superficiales de diferentes líquidos entre sí.
2. 2 Gotee una gota de líquido a la vez en el penique. Coloque el centavo encima de una toalla o una superficie que no le importe mojarse. Llena el cuentagotas con el primer líquido.Lentamente, gotee el líquido sobre el centavo, teniendo cuidado de solo dejar caer una gota a la vez. Cuente la cantidad de gotas que se necesitan para llenar el centavo hasta que el líquido se agote.
   • Anote cuántas gotas toma para que el líquido fluya por el costado del centavo.
3. 3 Repita el experimento con un líquido diferente. Limpia y seca el centavo entre cada prueba de líquido. Seque la superficie sobre la que colocó el centavo antes de repetir el experimento. Use múltiples cuentagotas o límpielo entre usos.
   • Intente mezclar un poco de jabón para lavar platos en el agua y vuelva a dejar caer para ver si la tensión de la superficie cambia.
4. 4 Compare la cantidad de gotas que se necesitan para llenar el centavo de cada líquido. Intente repetir el experimento con el mismo líquido varias veces para ver si obtiene un recuento exacto. Promedie los ensayos juntos al sumarlos y dividir por el número de ensayos realizados. Anote qué sustancias requieren la mayor cantidad de gotas y cuáles requieren la menor cantidad para llenar el centavo.
   • Las sustancias con una tensión superficial más alta tendrán más gotas en el centavo que las sustancias con una tensión superficial más baja.
   • El jabón para platos reduce la tensión superficial del agua, usando menos gotas para llenar el centavo.