Cohesión, adhesión, tensión superficial y capilaridad

Desde la escuela y el colegio conocemos un poco sobre las fuerzas de interacción básica entre cuerpos, ya sean macroscópicos o microscópicos.

Sabemos que:

• Cumplen la tercera ley de Newton, en sencillo "no se puede hacer fuerza sobre algo, sin que algo haga fuerza sobre usted".
• Generalmente dependen de la distancia: "mientras más cercanos los cuerpos, mayor magnitud tiene la fuerza".
• Dependen de la magnitud de la propiedad que las causa (masa, carga eléctrica, dipolo magnético, etc.), "mientras más cantidad de esa propiedad haya, mayor será la fuerza".
• Algunas de esas fuerzas básicas son: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte, nuclear débil. (http://es.wikipedia.org/wiki/Interacciones_fundamentales).
• Sabemos entonces que en el átomo; quarks, protones, neutrones, electrones y toda la gama de partículas elementales interaccionan mediante determinado tipo de fuerzas y entre ellas existe lo que los físicos llaman una energía de enlace.

Las moléculas que constituyen los compuestos como el agua también ejercen fuerzas de interacción, ya sea entre moléculas del mismo, o diferente tipo.
De una manera general y sencilla llamamos cohesión molecular a la fuerza de atracción que ejercen entre sí, moléculas del mismo tipo y llamamos adhesión molecular a la fuerza de atracción entre moléculas de diferente tipo.

Las moléculas en el interior de un líquido como el agua, están rodeadas de otras moléculas iguales y entonces podríamos decir que las fuerzas de interacción sobre una de ellas se cancelan, lo que pone a la molécula en un estado de baja energía. Por el contrario las moléculas de la superficie del líquido, al no tener vecinas en la parte superior, están en un estado de mayor energía, debido al desbalance de fuerza de cohesión hacia el interior del líquido.
Entonces para lograr un estado de menor energía el líquido tiende a disminuir el número de moléculas en su superficie, lo que provoca una reducción de área y es la causa entre otras cosas de que las gotas del líquido y las burbujas de agua jabonosa, sean casi esféricas.

La superficie del líquido entonces se asemeja a una membrana tensa, sobre la cual se pueden posar mosquitos y objetos livianos, sin que se hundan en el líquido, por lo que los objetos no están flotando debido a la fuerza boyante, de acuerdo con el principio de Arquímedes, sino sostenidos por una membrana tensa.
A ese comportamiento de la superficie de líquidos lo llamamos tensión superficial , (http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension).

Cuantitativamente la tensión superficial se define como el cambio de energía por unidad de área, cuando la superficie del líquido es perturbada.
De manera simple podemos pensar que introducimos en agua jabonosa, por ejemplo, un marco metálico de ancho d, en el cual se forma una película de agua (¡dos superficies!)

Si desplazamos el lado AB, tirando de él con una fuerza F, una distancia Δx, se hará un trabajo W = (F)(Δx) y como el cambio de área es 2 d(Δx), la tensión superficial será: T =(F)(Δx)/ 2 d(Δx),

T = F/2d.

Basta entonces medir F y d para obtener el valor de T.
Las unidades dela tensión superficial T son joule/m², o newton/metro (N/m).
Para agua en contacto con el aire, a 20°C, T= 7,28 x10^-2 N/m. (http://www.engineeringtoolbox.com/water-surface-tension-d_597.html)

La adhesión molecular y la tensión superficial son las responsables de la capilaridad, esto es, la capacidad de los líquidos de subir o bajar por un tubo capilar.

Si tenemos un tubo capilar de radio interno r, en el cual hay un líquido de densidad ρ, el ascenso capilar h se establece cuando la fuerza de tensión superficial sea igual al peso de la columna capilar, esto es:

T(2 π r) = ρ g(π r² h),

de donde

h =2T/ρrg.

Por ejemplo, por un capilar de radio interno r = 0,01 mm, el asceso capilar del agua es 1,5 mm.