18.7: Tensión superficial

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 81686

Michael Adewumi
Pennsylvania State University via John A. Dutton: e-Education Institute

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

La tensión superficial es una medida de la energía libre de la superficie de los líquidos, es decir, la extensión de la energía almacenada en la superficie de los líquidos. Aunque también se le conoce como fuerza interfacial o tensión interfacial, el nombre tensión superficial se suele utilizar en sistemas donde el líquido está en contacto con el gas.

Cualitativamente, se describe como la fuerza que actúa sobre la superficie de un líquido que tiende a minimizar el área de su superficie, dando como resultado líquidos que forman gotitas con forma esférica, por ejemplo. Cuantitativamente, dado que su dimensión es de fuerza sobre la longitud (lbf/ft en unidades inglesas), se expresa como la fuerza (en lbf) requerida para romper una película de 1 pie de largo. Equivalentemente, se puede reafirmar como la cantidad de energía superficial (en lbf-ft) por pie cuadrado.

Katz y col. (1959) presentó la ecuación de Macleod-Sudgen para cálculos de tensión superficial (\(\sigma\)) en dinas/cm para mezclas de hidrocarburos:

\[\sigma^{1 / 4}=\sum_{i=1}^{n} \operatorname{Pch}_{i}\left[\frac{\rho_{i}}{62.4\left(M W_{l}\right)} x_{i}-\frac{\rho_{g}}{62.4\left(M W_{g}\right)} y_{i}\right] \label{18.20}\]

donde:

\(Pch_i\)es el Parachor del componente “i”,
\(x_i\)es la fracción molar del componente “i” en la fase líquida,
\(y_i\)es la fracción molar del componente “i” en la fase gaseosa.

Para expresar la tensión superficial en unidades de campo (lbf/ft), multiplique la tensión superficial en (dinas/cm) por\(6.852177 \times 10^{-3}\). El parachor es un parámetro independiente de la temperatura que se calcula experimentalmente. Los parachors para sustancias puras han sido presentados por Weinaug y Katz (1943) y se enumeran en el Cuadro 18.1.

Cuadro 18.1: Paráforo para sustancias puras (Weinaug y Katz, 1943)
Componente	Parachor
CO ₂	78.0
N ₂	41.0
C ₁	77.0
C ₂	108.0
C ₃	150.3
iC ₄	181.5
nC ₄	189.9
iC ₅	225.0
nC ₅	231.5
nC ₆	271.0
nC ₇	312.5
nC ₈	351.5

Weinaug y Katz (1943) también presentaron la siguiente relación empírica para el parachor de hidrocarburos en términos de su peso molecular:

\[P c h_{i}=-4.6148734+2.558855 M W_{i}+3.404065 \cdot 10^{-4} M W_{i}^{2}+\frac{3.767396 \cdot 10^{3}}{M W_{i}} \label{18.21}\]

Esta correlación puede ser utilizada para pseudo-componentes o para aquellos hidrocarburos no mostrados en el Cuadro 18.1.

Colaboradores y Atribuciones

Michael Adewumi (The Pennsylvania State University) Vice Provost for Global Program, Professor of Petroleum and Natural Gas Engineering