Profesor: Ing.PACHECO ACERO Curso: FISICOQUIMICA DE SUPERFICIE Tema: ENERGIA LIBRE DE SUPERFICIES Alumno: ISLA HUAMÁN Gabriel Germán Fecha: 19 de julio. Hyo-Peru 2013 INDICE 1. 4. INTRODUCCION FENOMENOS DE SUPERFICIE TENSIÓN SUPERFICIAL ¿CUÁL ES LA EXPLICACIÓN MOLECULAR DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL? 5. 3. BIBLIOGRAFIA . ENERGÍA LIBRE DE SUPERFICIE? 8. ENERGÍA INTERFACIAL 9. ¿CÓMO SE COMPORTA LA SUPERFICIE DE UN LÍQUIDO EN CONTACTO CON LA SUPERFICIE DE UN SÓLIDO? 10. ¿QUÉ ES LA ENERGÍA SUPERFICIAL? 7. TENCIÓN INTERFACIAL 6. 2. O la energía libre por unidad de área. Energía libre Superficial: el cambio de energía libre debe incluir un término que represente el trabajo requerido para aumentar el área de la superficie dA a T° . Las moléculas de superficie serán energéticamente más ricas y será necesario aportar trabajo para llevar las moléculas desde el interior de una fase liquida.P. se expresa en dina/cm . .T°.luego ejerce cierta presión sobre el resto de la fase lo cual determina que los líquidos se comporten como si los líquidos. Las moléculas del interior de una fase liquida. Se encuentran rodeadas por un # de moléculas las cuales interactúan. La s moléculas de ambas fases ubicadas en este plano lado interfase o región interfacial la propiedad mas importante es al tensión superficial . y la energía libre en Puesto que son numéricamente iguales se usa y para expresar la tensión sup. La tensión superficial es una fuerza normal al plano superficial dirigida hacia el ulterior d la fase y que tiene su origen en la descompensación de fuerzas entre molecular de la región superficial. Estuvieran rodeados por una membrana elástica contráctil./cm2.n La tensión superficial se erg. y=dG/dA.P y composición Cte.INTRODUCCION Siempre que tenemos un sistema de dos fases hay una separación entre ellas . Hasta la superficie. . mientras que en el caso de la tensión superficial esto no ocurre. como el hidrómetra. Las gotas de agua que se producen en el extremo de un cuentagotas. Como ejemplos de este fenómeno se pueden citar los siguientes: Ciertos insectos que. permaneciendo su valor constante. Tanto la tensión superficial en líquidos como la tensión que aparece en una membrana es función de la longitud l de la superficie. . PROPIEDADES DE LAS INTERFACES TENSIÓN SUPERFICIAL La tensión superficial es el trabajo que se requiere para incrementar el área ). Las fuerzas a considerar en los flujos con interfase son Fuerzas de inercia Fuerzas gravitatorias Fuerzas viscosas Tensión superficial Existen muchos fenómenos. que ponen de manifiesto que la superficie libre de los líquidos se comporta en muchos aspectos como una membrana elástica tensa. la formación de una película jabonosa que ofrece una resistencia a la deformación al introducir un aro de alambre en una disolución jabonosa. la tensión en la membrana también aumenta proporcionalmente al aumento de superficie. agua en contacto con el aire). andan sobre el agua. de superficie de un líquido. isotérmicamente por unidad de área ( Otra versión de esta definición sería: La tensión superficial de un líquido se puede definir como la fuerza por longitud unitaria que actúa paralelamente sobre la superficie pero de manera perpendicular a la una línea imaginaria ( ). bien conocidos desde hace tiempo.ENERGIA LIBRE EN SUPERFICIE FENOMENOS DE SUPERFICIE Los flujos multi-fase o de interfase son aquellos flujos en los que existen al menos dos fluidos en contacto separados por una superficie o interfaz (por ejemplo. La principal diferencia existente entre ambas tensiones es que si la superficie que define la membrana o la superficie del líquido duplican su tamaño. Podemos notar que. En cambio. cuando tratábamos de fabricar nuestra primera brújula casera. siendo que físicamente el acero es mucho más denso que el agua. interactúan mutuamente por medio de sus fuerzas intermoleculares. Entonces. mientras no frotemos el agua que se haya derramado. sin querer. Se dice que estas moléculas tienen un número de coordinación igual a . mismas que provocan una fuerza de atracción colectiva mutua. sometida a la interacción de todas las demás que la rodean. es atraída igualmente por todas sus vecinas. Es curioso que la aguja de acero pudiera flotar sobre el agua. digamos. . Ambos ejemplos ilustran el concepto de tensión superficial: un fenómeno que pareciera sugerir que la superficie del agua se comporta como una delgada membrana o piel elástica que se encuentra bajo presión. Otra experiencia cotidiana se da cuando. que se metería entre las fibras del mantel y diríamos que “mojamos” el mantel.vemos que su masa causa una pequeña depresión en la superficie del agua. ésta suele agruparse en pequeñas gotitas que si pudiésemos retirar sin romperlas.Hay experiencias cotidianas que nos permiten observar el fenómeno de tensión superficial. Este efecto lo podemos analizar con detalle considerando los efectos de las fuerzas intermoleculares. si nos ponemos a frotar el agua. vamos a formar con ella una película delgada de agua más extendida. las moléculas que se encuentran justo en la superficie. en nuestras clases de secundaria. Cada una de estas moléculas. Si observamos la imagen anterior -en la que se muestra un acercamiento de la aguja de acero flotando sobre el agua (vista de frente). observábamos como ésta giraba hasta eventualmente apuntar hacia el norte. de tal manera que las fuerzas de tensión actúan en la superficie y tienen una componente dirigida hacia arriba que es capaz de soportar el peso de la aguja. no mojarían al mantel. Dentro del volumen del líquido. realmente no . derramamos un vaso de agua sobre un mantel. lo cual tiene una fuerza resultante igual a cero. no están rodeadas totalmente por sus vecinas. magnetizábamos una pequeña aguja de acero con un imán y luego la colocábamos sobre una superficie de agua. Por el contrario. Por ejemplo. cada molécula se encuentra totalmente rodeada por muchas otras. sino solamente por aquellas que las tocan desde el interior del fluido (en el exterior. EXPLICACIÓN MOLECULAR DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL Las moléculas que componen un líquido. Estas fuerzas de atracción dirigidas hacia adentro deben ser equilibradas por la resistencia del fluido a la compresión. Sin embargo. lograr que la emulsión sea estable será igualmente difícil. son totalmente esféricas). Esta energía es consecuencia de las tensiones superficiales de los dos líquidos. y debido a la combinación de calor. etc. las moléculas en el interior del líquido se atraen unas a otras en todas direcciones. Se llama tensión interfacial a la energía libre existente en la zona de contacto de dos líquidos inmiscibles. en la zona de contacto de los líquidos las moléculas de cada líquido están en contacto con las del otro y experimentan fuerzas distintas. Con el paso del tiempo. campos eléctricos.). Estas moléculas no sienten una fuerza de atracción equilibrada como sus contrapartes internas en el fluido (mismas que sienten una fuerza neta igual a cero). localmente. Este aumento de la conductividad del conlleva que el calor disipado por éste sea menor. y en este sentido. Diríamos que las moléculas que se encuentran en la superficie. Esta reducción facilita que el agua y otros contaminantes se emulsionen con el aceite. las moléculas en la superficie solamente reciben una fuerza de atracción hacia adentro: hacia el resto del volumen del fluido. Los compuestos polares se van acumulando y afectan a la tensión superficial. Las unidades de medida de la tensión interfacial son las mismas que las de la tensión superficial. Adicionalmente. solamente se encuentran en contacto con moléculas (su número de coordinación es de ). Cuanto más alta sea la tensión interfacial del aceite. la tensión interfacial tenderá a unir las gotas y reducir el área de contacto. sea atmosférico. el área de contacto entre los líquidos se incrementa notablemente. lo que significa que no hay una fuerza neta hacia adentro. existe una fuerza que tiende a disminuir el área de la superficie. incrementándose la tensión interfacial. En el caso de los aceites aislantes. En consecuencia. agua y oxígeno se van generando compuestos polares en el aceite que afectan a su capacidad aislante. la superficie del líquido se comporta como una piel o membrana elástica sujeta a una tensión. reduciéndola. ya que estos compuestos facilitan el paso de la corriente eléctrica a través del aceite. Podemos imaginar que el líquido se “aprieta” a sí mismo hasta que alcance a tener el área superficial menor posible. Al formarse la emulsión.hay existe una misma influencia intermolecular por el ambiente: sea vacío. Esto explica porque las gotas de agua y las burbujas son casi esféricas (en la ausencia le la gravedad. unas debidas a las moléculas de su fase y otras debidas a las moléculas de la otra fase. la tensión interfacial es un indicativo de la capacidad aislante del aceite. y. y evita que se emulsiones espontáneamente. lo que facilita a su vez la degradación del aceite y la acumulación de contaminantes . El valor de la tensión interfacial del aceite es indicativo de varias características del aceite: Es una medida de la inmiscibidad del aceite: Cuando dos líquidos inmiscibles están en contacto. más difícil será romper la interfase y formar la emulsión. una vez conseguido. Por lo tanto. aumentando su conductividad. la tensión superficial (fuerza por unidad de longitud) y la densidad de energía superficial son idénticos. (Estos compuestos han sido eliminados durante el refinado del aceite). Se produce así un efecto "bola de nieve". este valor. Debido a que la acumulación de contaminantes y productos de la degradación del aceite hacen bajar el valor de la tensión interfacial (como se acaba de decir). Al ser la tensión interfacial consecuencia directa de la tensión superficial. por lo tanto. La tensión interfacial (al igual que la superficial) puede reducirse con el uso de aditivos emulsificantes. debe haber una fuerza que genera la superficie. La unidad de energía superficial de un material debe ser. nos da una indicación bastante precisa de la capacidad aislante del aceite. comparado con otros. nos da una indicación del grado de envejecimiento del aceite. Las siliconas. que forman lodos. El valor de la tensión interfacial en un aceite nuevo. comparado con el del aceite nuevo. El valor de la tensión interfacial. siendo el . y /o de la presencia de impurezas. El agua tiene una densidad de energía superficial de 0. es un indicativo del grado de refino. insolubles. la tensión interfacial se ve afectada por los mismos factores que la tensión superficial. En el aceite nuevo y sin aditivos.072 J/m2 y una tensión superficial de 0. Una tensión interfacial alta en un aceite nuevo indica la ausencia de compuestos polares orgánicos (aromáticos) en el aceite. se utilizan en los aceites minerales para reducir la tensión superficial y facilitar la formación de emulsiones. En la física del sólido. Para los líquidos. el pH y la viscosidad. las superficies deben ser intrínsecamente menos favorables energéticamente que la masa. reduciendo la tensión interfacial. que con el uso de aditivos puede bajar a 25-30 dinas/cm. LA ENERGÍA SUPERFICIAL La energía superficial se define como la energía necesaria para romper los enlaces intermoleculares dando lugar a una superficie. de su nivel de oxidación. comparado con el del aceite nuevo. Estas sustancias se acumulan en la zona de contacto de las dos fases de la emulsión. la mitad de su energía de cohesión. la tensión interfacial tiene un valor de entre 40 y 45 dinas/cm. por ejemplo. La tensión interfacial está en relación con otras propiedades del aceite. La energía superficial puede ser definida como el exceso de energía de la superficie de un material comparado con la que tendría si estuviera inmersa en la masa. Si el corte es reversible la conservación de energía nos dice que la energía consumida en el proceso de corte debe ser igual a la energía inherente en las dos nuevas superficies creadas. Si se corta un sólido en piezas se rompen sus enlaces y entonces se consume energía.072 N/m. es decir. acelerándose el proceso exponencialmente. tales como la viscosidad. . Cada molécula que se encuentra en contacto con un vecino. Las superficies a veces cambian su forma de forma irreversible alejándose de modelos simples. una nueva área superficial unitaria ( Una manera alterna de describir el fenómeno de tensión superficial es mediante la energía libre superficial. En la práctica esto es cierto solo para una superficie recién cortada preparada en vacío. Otra manera de verlo. éste debe disminuir el número de moléculas en la superficie y por lo tanto tiende a disminuir su área de superficie. que le permita migrar a la superficie. La tensión superficial opera bajo este principio. Esta energía necesaria para crear un área de superficie unitaria se denomina energía libre de superficie o energía libre superficial. tienen menos vecinos: . que reaccionan o cambian rápidamente. es pensar que es el trabajo necesario para crear una intercara de área unidad a presión y temperaturas constantes. aquellas que se encuentran en la superficie.resto de condiciones iguales. ENERGIA INTERFACIAL Por definición. lo que hace que la energía superficial se ve reducida por procesos de pasivación o absorción. Para que el líquido pueda minimizar su estado energético. Consideremos a las moléculas que componen a un volumen de agua y observemos primero a aquellas que se encuentran dentro del mismo. Si se quisiera incrementar el área de la superficie. está en un estado de energía más bajo que si no se encontrara en contacto con él. en términos energéticos. se encuentran en un estado de energía más alto. y por lo tanto. la energía interfacial o energía libre interfacial es G = G0 + A·γ y se entiende como el exceso de Energía libre de Gibbs que aparece como consecuencia de la existencia de una intercara de área A. Se han encontrado regiones altamente dinámica. se requeriría de una energía adicional para pasar algunas de las moléculas del interior del fluido (que tenían menos energía potencial que las de la superficie) y romper la interacción intermolecular con sus vecinos. Por lo contrario. ENERGÍA LIBRE SUPERFICIAL La energía libre superficial se define como el trabajo requerido para crear ). Las moléculas que se encuentran en el interior del volumen del líquido tienen vecinos. puesto que es un ejemplo fácilmente medible e imaginable. Esto se debe a que para viscosidades más altas. por lo que es más difícil que se produzca la transferencia de átomos entre la superficie y el volumen necesaria para que se mantenga la estructura superficial. para el caso de una red fcc en la que el número de vecinos próximos es 12. El origen atómico de la energía interfacial. Por ejemplo. pero siempre recordando que se mantenga esta condición. puesto que no hay fuerzas tangenciales. y en donde F es la fuerza necesaria para mantener la barra en la posición inicial: Si movieramos el lado móvil una distancia dx. por lo que puede ocurrir que no se cumpla la igualdad anterior. produciríamos una variación de área de la superficie jabonosa dA realizando un trabajo: Por lo que si γ no es función de A. en la superficie de la cara {1 1 1} faltarían 3 de esos átomos. es posible aceptar que la fuerza F = γ. en la que uno de los lados es móvil. por lo que la energía del resto se ve aumentada una cantidad de 3ε/2 con respecto a los átomos internos. los átomos necesitan mucha más energía para reordenarse. En líquidos podemos considerar que γ no es función de A. es el hecho de que los átomos de las capas atómicas próximas a la superficie no tienen todos los vecinos que deberían. vemos que F = γ. en los sólidos la viscosidad es mucho más elevada.Para entender la variación de éste concepto. Pero teniendo en cuenta que en muchos casos de interés la movilidad de los átomos no será tan reducida debido a que se producen a altas temperaturas cercanas a la de fusión. Podemos ver que por cada mol de material que . se suele recurrir a las pompas de jabón que se forman en una línea cerrada de alambre o similar. Sin embargo. Si consideramos una línea de alambre rectangular. y por tanto la energía interna de cada átomo de la superficie aumenta con respecto a los átomos internos en el material. Como mostramos en la siguiente figura. el número de enlaces rotos es mucho mayor en la primera imagen que en la segunda. por lo que aplicando las ecuaciones anteriores: Esv = ((cos θ + sen θ)ε)/2·a^2 Lo que nos da una primera aproximación para la energía interfacial en función del ángulo. el plano superficial tiene índices de miller irracionales. la energía superficial para la cara {1 1 1} descrita anteriormente. Si representamos la ecuación anterior obtenemos: . vemos que la energía interfacial depende del tipo de estructura que estudiemos y del plano en el que se encuentra la superficie. sería Esv = 0.se sublime se rompen 12·NA enlaces. De esta forma. por lo que podemos considerar Ls = 12·NA·ε/2. puesto que el número de enlaces rotos varía mucho. Por tanto. por lo que la energía interfacial será mayor: Si nos vamos ahora al límite macroscópico. vemos que los enlaces rotos en las terrazas son cos θ /a y en los escalones sen θ /a. si definimos θ como el ángulo que forma el plano superficial (la línea roja) con la dirección normal de la estructura atómica (línea verde). Por lo que a partir de esta estimación. y estará compuesta por una serie de terrazas con alto grado de empaquetamiento y escalones (algo parecido a la segunda imagen).25 Ls / NA. Por tanto. todos los planos de índices bajos estarán colocados en puntos similares de la figura y las superficies escalonadas en puntos de energía creciente cuanto mayor sea el ángulo que formen. en donde se ha formado el mayor número de escalones posible. la energía será máxima en el corte de la primera figura (θ=45º). en el que no se han formado terrazas. . se construye una superficie alrededor del origen de tal forma que la energía libre de cualquier plano sea igual a la distancia entre el origen y la superficie medida a lo largo de la normal al plano en cuestión.Podemos observar que existe un mínimo para θ=0. Por tanto. que evidentemente corresponde a un corte paralelo a la dirección natural de la estructura atómica. llegamos a la construcción de Wulff: Para realizarla. Por tanto. si estudiamos la representación de γ con respecto a la orientación del plano de la superficie. la forma de equilibrio sería simplemente la envolvente interior de todos los planos de Wulff. . Con este ángulo característico. la curvatura del ángulo de contacto (es decir. como se muestra a continuación: La forma particular que adopta esta curvatura se determina mediante las magnitudes relativas de lo que llamamos las fuerzas adhesivas y cohesivas. Por último. se dice que el líquido “moja” el sólido con el cual está en contacto. La fuerza cohesiva es la fuerza atractiva que es ejercida sobre las moléculas de la superficie del líquido por las demás moléculas del mismo líquido. Este ángulo se mide dentro del líquido. La fuerza adhesiva es una fuerza atractiva que ejercen las moléculas del sólido sobre la superficie del líquido. Cuando el mercurio reposa sobre una superficie de vidrio limpio y pulido. la superficie del líquido suele exhibir una ligera curvatura junto en el punto donde toca la superficie. haya sido derramado sobre una superficie. y la superficie de equilibrio será la que haga de este sumatorio un valor mínimo. Consideremos un líquido dentro de un contenedor cuyas paredes son verticales. si la fuerza adhesiva es pequeña en comparación con la fuerza cohesiva.La energía superficial total será el sumatorio de los diferentes Ai·γi. Por lo contrario. Esta curvatura se puede medir mediante el ángulo de contacto. el menisco será convexo: su ángulo de contacto será mayor a 90°. Ésta es la que existe entre la superficie del sólido con el cual el líquido está en contacto. ¿Cómo se comporta la superficie de un líquido en contacto con la superficie de un sólido? Cuando un líquido se encuentra en contacto con una superficie (ya sea que se encuentre dentro de un contenedor. y el plano tangente a la curvatura de la superficie del líquido donde toca la superficie. etc. Bajo este caso se dice que se tienen gotas de mercurio y éste no moja a la superficie de vidrio.). Si la fuerza adhesiva es grande en comparación con la fuerza cohesiva. forma pequeños volúmenes esféricos cuyos ángulos de contacto son aproximadamente de 140°. el menisco) será cóncavo: su ángulo de contacto será menor a 90°. si para cada punto del diagrama trazamos un plano como el OA (como se muestra en la figura). wikipedia.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/alva_d_mm/capitul o5.wikipedia.udlap.org/wiki/Energ%C3%ADa_superficial http://es.slideshare.org/wiki/Tensi%C3%B3n_superficial http://fismat.html .BIBLIOGRAFIA http://es.net/gueste9e8e9/diapositivas-interfasespresentation http://www.html http://catarina.mx/fismat/PAGINA/HTML/Materia%20%C3%8Dndice/En ergia%20libre%20superficial/Energia%20libre%20superficialFrameset.ws/ivanmet1/tension.geocities.uia.pdf http://www.