20.2: Tensión superficial
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Esta tensión se puede describir cualitativamente así. En la Figura XX.1, la línea discontinua es una línea imaginaria dibujada en la superficie de un líquido. El líquido a la izquierda de la línea está siendo jalado hacia la derecha como lo indican las flechas rojas; el líquido a la derecha de la línea está siendo tirado igualmente hacia la izquierda como lo indican las flechas verdes. La fuerza por unidad de longitud perpendicular a una línea trazada en la superficie del líquido es la tensión superficial. Su unidad SI es newtons por metro y su unidad CGS es dinas por centímetro. Las dimensiones son MT −2.
He visto varios símbolos, como\(T , S \) y\( \gamma \) utilizados para la tensión superficial. Los dos primeros de estos símbolos ya están muy trabajados en la termodinámica, así que voy a usar el símbolo\( \gamma \) (aunque, hay que admitirlo,\( \gamma \) está muy trabajado en termodinámica, también). No todos se sienten cómodos con una definición que involucra fuerzas perpendiculares a una línea imaginaria dibujada en la superficie, y un enfoque alternativo puede ser más apetecible para algunos. La idea de que una molécula debajo de la superficie esté rodeada por todos lados por otras moléculas y, por lo tanto, experimente una fuerza promedio neta cero, mientras que una molécula en la superficie es arrastrada asimétricamente por las moléculas debajo de ella, permanece. Pero en lugar de trazar una línea imaginaria en la superficie, razonamos que requiere trabajo para mover una molécula desde dentro del líquido a la superficie, y requiere mucho trabajo para mover muchas moléculas de abajo a la superficie. Es decir, requiere trabajo para crear nueva superficie. Por lo tanto, podemos definir la tensión superficial como el trabajo requerido para crear área unitaria de nueva superficie. Las condiciones bajo las cuales se realiza este trabajo tienen que definirse cuidadosamente en cualquier definición precisa, y, desde un punto de vista termodinámico, la definición estricta es el aumento de la energía libre de Gibbs por unidad de área de nueva superficie creada bajo condiciones de temperatura y presión constantes. Es decir:
\[ \gamma = \left(\frac{\partial G}{\partial A}\right)_{T,P}\label{20.2.1}\tag{20.2.1} \]
Esto concuerda con la definición de la energía libre de Gibbs como una cantidad cuyo incremento es igual al trabajo, distinto al\(PdV\) trabajo, realizado en un sistema en un proceso isobárico isotérmico reversible.
Tal amabilidad será de interés para los versados en termodinámica (y he añadido un poco sobre la termodinámica de la energía superficial en el Capítulo 12 de la Termodinámica), pero para los que no están tan versados, pueden, sin ningún prejuicio serio para entender la mayor parte del asunto en esta sección, pensar en la tensión superficial ya sea como la fuerza por unidad de longitud perpendicular a una línea imaginaria en la superficie, o como el trabajo requerido para crear una unidad de área de nueva superficie. Puedes expresar tensión superficial ya sea en newtons por metro o en julios por metro cuadrado (o, si eres de persuasión CGS, dinas por centímetro o ergs por centímetro cuadrado). Estos son dimensionalmente equivalentes.metro o en julios por metro cuadrado (o, si eres de persuasión CGS, dinas por centímetro o ergs por centímetro cuadrado). Estos son dimensionalmente equivalentes.
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