TENSIÓN INTERFACIAL

EXISTENCIA de una TENSION SUPERFICIAL

Las fuerzas de atracción que existen entre las moléculas de un líquido, son de diferente magnitud dependiendo de la zona del líquido considerada. Las moléculas en su seno del líquido están lo suficientemente cerca para que el efecto de las fuerzas de atracción sea considerable, pero tienden a equilibrarse.

Por el contrario, las moléculas de la zona superficial (fig.1) no están rodeadas completamente por otras moléculas del líquido y por lo tanto estas molécuals están desequilibradas con un efecto neto hacia el seno del líquido. Esta fuerza neta es normal a la superficie y será más baja mientras más pequeña sea dicha superficie. Es decir, para una superficie mínima se cumple una energía mínima y por lo tanto podemos decir que la superficie de un líquido tiende a contraerse y el efecto resultante de estas fuerzas de contracción es lo que da origen a la tensión superficial, permitiendo además que la superficie sea estable.

Ya que la tendencia natural, de un líquido, es reducir su superficie, cualquier intento de aumentar ésta, requiere de la realización de un trabajo.

Supongamos que se extiende la película de líquido contenida en un bastidor de alambre rectangular. Si se aplica una fuerza F (que actuará en sentido contrario y estará balanceada por la fuerza de tensión superficial), al lado móvil del bastidor, para desplazar la película una distancia dx, el trabajo (W) realizado estará dado por:

dW = F dx (1)
pero F = 2 γ l ; (2)
ya que la película posee dos superficies.
Entonces: dW = 2 γ l dx (3)
siendo 2 l dx el incremento de área
generado dA , y dW = γ dA (4)

Las ecuaciones (2) y (4) generan dos definiciones equivalentes para γ. 1.- γ = F 2 l , ó la fuerza en dinas que actúa a lo largo de 1 cm de longitud de película, y 2.- γ = dWdA , ó el trabajo en ergios necesario para generar un centímetro cuadrado de superficie ó la energía libre superficial por centímetro cuadrado de área. Esta última es la definición física de Tensión Superficial.

Las dos definiciones dadas anteriormente para la tensión superficial son equivalentes, por lo tanto las unidades que se empleen sean las dadas por la definición 1, (dinas/cm) ó por la definición 2, (ergios/cm2). No influencia el valor numérico de γ, ya que 1 ergio = 1 dina/cm.
La unidad normalmente empleada es dina/cm que es equivalente al mN/m. En la tabla 1 se dan los valores de la tensión superficial de algunos líquidos.
Definisión termodinámica de la Tensión Interfacial

SUPERFICIE e INTERFASE: Se define una superficie como la superficie de contacto entre un gas y una fase condensada (líquido o sólido). Se define una interfase como la superficie de contacto entre dos fases condensadas (dos líquidos o un líquido y un sólido). Se definió la tensión superficial como la fuerza de atracción hacia dentro ejercida sobre las moléculas de la superficie de un líquido. Esta tensión tiene como consecuencia la contración de la superficie.

Cuando se ponen en contacto dos líquidos inmiscibles el sistema considerado estará formado por las dos fases líquidas y la interfase de contacto entre ellas. Las moléculas de la interfase entre dos líquidos estarán sometidas a fuerzas de magnitudes diferentes a las que estan sometidas las moléculas del seno de cada uno de los líquidos Además se tendran también interacciones de tipo Van der Waals con las moléculas del otro líquido en la interfase, lo que conducirá a que la tensión a la interfase (tensión interfacial) tenga un valor intermedio entre las tensiones superficiales de los dos líquidos condensados.

De acuerdo a la siguiente figura El trabajo necesario para modificar el área está dado por: γ dA Si además de este trabajo se toma en consideración el asociado a cualquier cambio de volúmen ó -PdV, donde P es la presión en cada fase y V el volumen total del sistema, el trabajo total realizado en el sistema cerrado es:
dW = - P dV + γ dA
ya que para aumentar el área se requiere un trabajo positivo, la tensión tiene un valor positivo.

ahora si consideramos lo siguiente:

Una gota de líquido o burbuja de gas (fase α), suspendida en un líquido (fase β) cuando el embolo se desplaza algo de la gota se evapora o algo de la burbuja se condensa.

dW = - Pβ dV = - Pβ ( dVβ + dVα ) = - Pβ dVβ - Pα dVα + Pα dVα - Pβ dVα = - Pβ dVβ - Pα dVα + ( Pα - Pβ ) dVα

Pero Pα - Pβ = ΔP = 2γ r V = 43 π r3 y A = 4π r2 y dW = - Pβ Vβ - PαVα + γ dA

También se definió la tensión superficial como el trabajo necesario para generar un centímetro cuadrado de superficie o la energía libre superficial por centímetro cuadrado de área.
Volvamos al caso de la primer figura. Como la interfase es plana P1 = P2 = P.
Para un sistema multicomponente, el potencial químico de cada componente debe ser igual en cada fase y en la interfase. La variación de la energía del sistema está dada por:

dG = - S dT + V dP + γ dA + Σi μi dni

en la que γ dA es el trabajo reversible a P y T constante asociado con la variación del área. Todas las relaciones termodinámicas clásicas se escriben con el término adicional concerniendo la superficie.

dU = T dS - P dV + γ dA + Σi μi dni
dH = T dS + V dP + γ dA + Σi μi dni
dF = -S dT - P dV + γ d A + Σi μi dni

NOTA: Para interfases curvas, la presión no es la misma de parte y otra de la interfase al equilibrio, y por lo tanto el término -PdV se deberá sustituir por los términos -PdV para ambas fases.