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MUY VITAL PARA FISICA

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  • FENOMENOS DE SUPERFICIESTEMA 6Ao 2013

  • La mayora de los procesos fisicoqumicos naturales y artificiales ocurren en sistemas heterogneos en donde las diferentes fases que las componen estn separadas por una interfase, definida como la regin del sistema material cuyas propiedades fisicoqumicas se modifican. Las interfases pueden definirse segn el tipo de estado de agregacin de las fases que separa:

    INTERFASES

  • INTERFASESEn termodinmica se define fase como una regin del espacio con propiedades intensivas constantes, como P, T, ci. Si tenemos dos fases en contacto, deben diferenciarse en algunas de estas propiedades y por lo tanto debe existir una zona de transicin donde las propiedades cambien desde su valor en una fase hasta el valor que adquieren en otra.Se denomina interfase a la regin tridimensional de contacto entre dos fases y , en la que sus propiedades varan desde las correspondientes a la fase hasta las de la fase . Por ejemplo, si tenemos agua en contacto con su vapor, la propiedad concentracin cambiar desde un valor alto en la fase lquida hasta un valor muy bajo en el vapor (tal y como se representa en la figura siguiente). Se trata por tanto de una regin no homognea cuyo espesor se limita a unos pocos dimetros moleculares (normalmente de 3 a 4 capas de molculas).

  • Qu ocurre desde el punto de vista molecular? Todas las molculas comprendidas por debajo del plano h1 tienen un mismo entorno y forman parte exclusivamente de la fase . Del mismo modo, las molculas situadas por encima del plano h2 tienen un mismo entorno y forman la fase . Sin embargo, las molculas situadas en la regin h1h2 tienen un entorno molecular distinto al de las molculas que estn en el interior de cada fase. En el caso de que las fases en contacto sean un lquido y su vapor, la densidad que rodea a las molculas de la interfase no sera ni tan alta como en el interior de la fase lquida ni tan baja como en la fase gaseosa.En la mayora de los sistemas la fraccin de molculas en la regin interfacial es muy pequea y la influencia sobre las propiedades del sistema es despreciable. Existen, sin embargo, sistemas con una fraccin significativa de molculas en la superficie.

  • Los efectos de la interfase sern notables en sistemas con mucha superficie: coloides, slidos porosos (como las zeolitas). Tambin sern decisivas en aquellos procesos que tienen lugar nicamente sobre superficies (corrosin, reacciones sobre electrodos, membranas celulares). Muchas aplicaciones qumicas en la industria se basan en fenmenos superficiales (adherencia, lubricacin, detergencia). Los fenmenos de superficie implican al menos una fase condensada (slido o lquido) ya que entre 2 gases las interacciones son tan dbiles que las molculas apenas notan cambio al pasar del interior de una fase a una posicin superficial. En este tema estudiamos los fenmenos de superficie con fases lquidas (liq-gas o liq-liq) y abordando luego las superficies slidas.

  • TENSIN SUPERFICIALEn un fluido cada molcula interacciona con las que le rodean. El radio de accin de las fuerzas moleculares es relativamente pequeo, abarca a las molculas vecinas ms cercanas. Vamos a determinar de forma cualitativa, la resultante de las fuerzas de interaccin sobre una molcula que se encuentra en A, el interior del lquido B, en las proximidades de la superficie C, en la superficie

  • Consideremos una molcula (en color rojo) en el seno de un lquido en equilibrio, alejada de la superficie libre tal como la A. Por simetra, la resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las molculas (en color azul) que la rodean, ser nula. En cambio, si la molcula se encuentra en B, por existir en valor medio menos molculas arriba que abajo, la molcula en cuestin estar sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del lquido.

  • Si la molcula se encuentra en C, la resultante de las fuerzas de interaccin es mayor que en el caso B. La fuerzas de interaccin, hacen que las molculas situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del lquido. Como todo sistema mecnico tiende a adoptar espontneamente el estado de ms baja energa potencial, se comprende que los lquidos tengan tendencia a presentar al exterior la superficie ms pequea posible.

  • Coeficiente de tensin superficial Imaginemos un alambre de un metal de pequea seccin como el esquema de la Figura 1, con una capa de lquido contenido dentro de su estructura: ABCD. El lado AB es mvil y se desplaza sin rozamiento con pequeos aros conectados sobre los lados AC y BD. Se requiere una fuerza f para desplazar el alambre AB (llamado mbolo superficial), aumentando la superficie de la pelcula del lquido sin que sta se rompa, fuerza que acta contra la tensin superficial la que se opone a dicho desplazamiento.

  • cD

  • Se define Tensin Superficial con el smbolo , como la fuerza que acta sobre el mbolo AB, por unidad de longitud. El trabajo efectuado para desplazar el mbolo AB en un dx, trabajo que se realiza sobre el liquido.

    Y la fuerza f es contrabalanceada por la de la Tensin superficial, (dinas/cm) y puesto que hay dos (2) superficies (anverso y reverso ABCD) del film se tiene que:

    (1)

  • y el trabajo diferencial:

    siendo el producto del ancho l y la distancia infinitesimal dx igual al cambio infinitesimal en el rea, dA, de la superficie (anverso y reverso), por tanto:

    (2)

  • En conclusin es la fuerza expresada en dinas que acta en 1 cm de longitud de superficie ( esta sobre la superficie) y de acuerdo a la expresin anterior puede considerarse como EL TRABAJO EN ERGIOS NECESARIO PARA FORMAR UN CENTMETRO CUADRADO DE AREA SUPERFICIAL, y se encuentra, por lo tanto, referido a la ENERGA LIBRE SUPERFICIAL POR CENTIMETRO CUADRADO DE AREA.

  • Vimos que la energa libre es igual a la mxima cantidad de trabajo diferente de pV que un proceso puede llevar a cabo. Puesto que cambiar el rea de una superficie no es un trabajo del tipo pV, entonces el trabajo del tipo area-tensin- superficie debe relacionarse con la energa libre. En el caso de un cambio reversible en el rea de la superficie, que ocurre a T y P ctes.

    Esta ecuacin implica tres cosas. Primero, podemos integrarla para obtener:

    (3)(4)La tensin superficial es una caracterstica de un lquido que vara con la temperatura. Como se efecta trabajo para modificar el rea de una superficie, debemos poder relacionar este trabajo con una de las funciones de estado termodinmicas.

  • Segundo es posible reordenar la ecuacin (3) para despejar la tensin superficial en trminos de una derivada parcial a T y P ctes.

    Tercero si queremos tomar en cuenta la ecuacin de la variable natural para dG, en el caso de un sistema lquido cuya rea superficial esta variando, debemos incluir el cambio en la energa de Gibbs debido a la variacin del rea de la superficie.

    Si tenemos un sistema de multicomponentes(5)(6)(7)

  • MTODOS Hay varios mtodos para la determinacin de y aqu desarrollaremos el de ASCENSO CAPILAR. En la figura 2, se esquematiza lo que sucede cuando un tubo (de vidrio) capilar se introduce en una cubeta que contiene un lquido, donde este puede ascender espontneamente o descender, con respecto a la superficie del lquido. En este caso (Fig.2) el tubo capilar abierto en ambos extremos, esta introducido en agua pura, observando un ascenso del lquido, no obstante que la presin atmosfrica lo trata de impedir por su actuacin sobre la rama abierta.

  • Como por efecto del fenmeno de la Tensin Superficial, la superficie de interfase lquido-aire, tiene tendencia a disminuir, el agua se introduce en el tubo capilar como indican las flechas curvas y por ende hay una disminucin de energa libre a presin y temperatura constante que esta compensada por la diferencial de energa libre del efecto gravitario de la pequea masa del elemento de volumen dV de altura dl y seccin (siendo r el radio del capilar) y ubicado a una altura l de la superficie del lquido por tanto:

  • De (3):(superficie cilindrica)La variacin de la energa libre debido a la gravedad del peso de dV ser igual al volumen x densidad x aceleracin de la gravedad: (8)(9)

  • Igualando (8) y (9)De donde:(10)La altura se mide con un catetmetro y el radio r por el mtodo de la gota u otro que permita determinarlo.En conclusin el lquido asciende espontneamente mojando la superficie interior del capilar hasta que se llega a un estado de equilibrio alcanzando una altura l que no se modificar en tanto y en cuanto no haya cambios de temperatura y presin atmosfrica. disminuye cuando aumenta la temperatura y se hace igual a cero en el estado crtico.

  • TENSIN INTERFACIAL Y LA DISPERSIN DE LOS LIQUIDOS Cuando dos lquidos A y B son total o parcialmente miscibles y se ponen en contacto, se encuentra que existe una TENSION INTERFACIAL, en el lmite de las dos capas. Esta tensin AB es medible por mtodos anlogos a los usados en la determinacin de de lquidos puros. El valor es intermedio del de A y B, en algunos casos es inferior a los dos.

  • Si una columna de un lquido puro de 1 cm2 de seccin transversal se divide, se crean dos superficies, cada una de ellas con igual rea. Como el trabajo necesario para crear un rea de superficie unitaria, como se expres antes, es igual a , el trabajo realizado en aquella divisin es

    Denominndose WC: trabajo de cohesin del lquido.

    (11)

  • De forma anloga al caso de un lquido puro, si se considera una columna de dos lquidos miscibles o parcialmente miscibles, el trabajo para separarlos ser el de adhesin WA.

    Estos dos tipos de trabajo conducen a una cantidad muy importante llamada coeficiente de dispersin. Si se quiere dispersar un lquido B en la