CAPILARIDAD
HABID E. SANTIAGO MÉNDEZ
JHONATAN CHAVARRO
LAURA QUIROGA QUIROZ
YASSIR DOMÍNGUEZ
PROFESORA:
ING. ANA GARRIDO
LABORATORIO MECÁNICA DE FLUIDOS
GRUPO AD
UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
20 DE MARZO DE 2013
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………..1
2. OBJETIVOS……………………………………………………….………2
3. MARCO TEÓRICO…………………………………………………..…..3
4. EQUIPO……………………………………………………………….….7
5. TRABAJO PRE LABORATORIO………………………………………8
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO……………9
7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS…………….……14
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS………………………………………19
9. GUÍA DE SÍNTESIS…………………………………………………..20
10. CONCLUSIONES………………………………………………….….23
BIBLIOGRAFÍA
1
1. INTRODUCCIÓN
Una de las ciencias básicas de la ingeniería es la Mecánica de Fluidos y se
ocupa particularmente del estudio del comportamiento de los fluidos, ya sea
que estos estén en reposo o en movimiento. En este sentido, para la
experiencia de laboratorio es necesario definir algunas de las propiedades
fundamentales de los fluidos líquidos como son la tensión superficial y la
capilaridad, cuyas bases teóricas se enuncian en el presente informe.
De igual forma, se hizo necesaria la fundamentación teórica sobre algunas de
las propiedades de los fluidos líquidos como la capilaridad y su comportamiento
en las sustancias ensayadas por lo cual se describe la incidencia de la
propiedad en el líquido y el comportamiento que éste presenta
experimentalmente; obteniendo entonces que corresponde a una propiedad de
los líquidos que depende de su tensión superficial y que le confiere la
capacidad de subir o bajar por un tubo capilar.
En este orden de ideas se tiene que cuando un líquido sube por un tubo
capilar, es debido a que la fuerza intermolecular entre sus moléculas es menor
a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que
moja). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada
por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta
propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin
utilizar energía para vencer la gravedad.
2
2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Precisar experimentalmente la capilaridad producida por varios fluidos líquidos
para tubos capilares de diámetros variados, bajo condiciones de presión
atmosférica y temperatura previamente concebidas.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Describir el fenómeno de capilaridad para algunos fluidos líquidos.
Caracterizar e identificar la propiedad de la capilaridad y sus aplicaciones.
Identificar las fuerzas involucradas y su comportamiento en el fenómeno de
capilaridad como la cohesión y la adhesión.
3
3. MARCO TEÓRICO
La experiencia como tal se fundamenta en bases relacionadas con las
propiedades de los fluidos líquidos como la capilaridad y la tensión superficial,
su comportamiento y determinación mediante procedimientos experimentales
fundamentados en el análisis matemático.
CAPILARIDAD
Consiste en la capacidad que tiene una columna de un líquido para ascender y
descender en un medio poroso. Se evidencia claramente cuando se trabaja en
medios porosos con diámetros menores de .
La capilaridad está influenciada por la tensión superficial y depende de las
magnitudes relativas entre las fuerzas de cohesión del líquido y las fuerzas de
adhesión del líquido y las paredes del medio. En este orden de ideas la
capilaridad corresponde en síntesis al producto del acoplamiento de las fuerzas
que intervienen en un fluido líquido dispuesto en un recipiente. Las fuerzas que
intervienen corresponden a las fuerzas de cohesión, la tensión superficial y la
fuerza de adhesión.
FUERZA DE COHESIÓN
Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una
sustancia. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes
4
dentro de un mismo cuerpo. En el agua la fuerza de cohesión es elevada por
causa de los puentes de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua
fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un
líquido casi incompresible. De igual forma, se tiene que la fuerza de cohesión
se debe al intercambio de las moléculas de un fluido, caracterizado
precisamente, en que este intercambio tiene lugar desde la parte inferior hasta
la parte superior, que es donde se presentan las moléculas “solitarias” debido a
que en la superficie estas no encuentran con quien llevar a cabo el intercambio,
permitiendo generar una especie de capa o tensión a la cual se le conoce como
tensión superficial.
FUERZA DE ADHESIÓN
La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se juntan dos superficies
de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen
juntas debido a las fuerzas intermoleculares. De igual forma, esta propiedad es
muy importante en la industria de la construcción, aprovechada en la
resistencia y compactación de la mezclas de mampostería. Igualmente la
fuerza de adhesión se debe al grado de atracción ejercido por las moléculas del
fluido líquido con las moléculas que conforman las paredes del recipiente en el
cual está contenido.
TENSIÓN SUPERFICIAL
La tensión superficial es una fuerza que tiende a disminuir la superficie libre de
un líquido. Se trata de una fuerza dirigida hacia el seno del líquido desde su
superficie y se debe al desequilibrio de las fuerzas que actúan sobre las
moléculas de la superficie libre del líquido.
5
Una molécula del interior de un líquido está sometida a fuerzas de atracción por
parte de todas las moléculas del líquido que la rodean y, por lo tanto, se halla
en equilibrio, ya que es atraída con la misma fuerza en todas las direcciones.
Sin embargo, las moléculas de la superficie del líquido no son atraídas hacia
arriba y, por lo tanto, están sometidas a una fuerza dirigida perpendicularmente
a la superficie del líquido y hacia el interior del mismo. A esta fuerza se le
conoce como tensión superficial y es la causa de que el líquido se comporte
como si se hallase rodeado por una especie de membrana elástica. Igualmente
es gracias a la tensión superficial que existe el conocido menisco, formado
entre otras cosas por una capa de moléculas que tienen lugar debido a la
tensión.
Figura 1. Tensión superficial. A diferencia de lo que ocurre en el caso de las moléculas de líquido que se encuentran en el interior del mismo, las fuerzas que actúan sobre las moléculas situadas en la superficie del líquido no están equilibradas. Éste es el origen de la tensión superficial.
6
De esta manera, la relación entre la tensión superficial y la capilaridad se aplica
mediante el ascenso capilar , y la cual se puede obtener mediante la
aplicación de la fórmula:
7
4. EQUIPO
Para la correcta realización de la experiencia se dispuso de los siguientes
equipos e instrumentos:
Tubos capilares de diámetros diversos.
Sustancias a ensayar (Agua, alcohol, cetona, mercurio).
Calibrador Pie de rey (Vernier).
Soporte universal
Termómetro.
Tubos de ensayo
Regla
8
5. TRABAJO PRE LABORATORIO
La experiencia de laboratorio sobre la capilaridad de los fluidos líquidos planteó
la necesidad de tener en cuenta los conceptos preliminares acerca del
comportamiento de los fluidos líquidos y de las propiedades físicas que
describen cuando son ensayados en el laboratorio, por lo cual se requirió de
una vasta fundamentación teórica acerca de las fuerzas que intervienen en un
líquido contenido en un recipiente sumado al comportamiento que éste
evidencia.
Igualmente, se debe disponer para la realización de la experiencia claridad
acerca de los registros de los datos a obtener, su organización y su previo
significado, con el fin único de contemplar exitosamente la práctica de
laboratorio y poder contrastar satisfactoriamente los resultados obtenidos.
Por último, el punto importante antes de realizar la experiencia supone la
disposición de los estudiantes y la previa concertación de los procedimientos a
emplear; añadiendo la disponibilidad de los equipos y de los instrumentos, la
guía del docente y la presencia de las sustancias a ensayar.
9
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO
Para la realización de la experiencia de capilaridad se dispuso del siguiente
procedimiento en el laboratorio.
1) Cerciorarse de que los tubos capilares estén completamente limpios.
2) Depositar en el interior de beaker la sustancia a ensayar.
3) Insertar los tubos capilares en el seno del líquido hasta el nivel superior
completamente vertical.
4) Apreciar directamente el ascenso del líquido a través del tubo capilar, al
igual que la rapidez con la que éste lo hace.
5) Tomar las alturas alcanzadas por los distintos líquidos ensayados en los
tubos capilares.
6) Emplear el mismo procedimiento para cada sustancia, variando en cada
caso el diámetro del tubo capilar.
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PROCEDIMIENTO MATEMÁTICO
El procedimiento matemático asociado a la experiencia de laboratorio sugiere
el uso de fórmulas establecidas para la determinación del grado de capilaridad
para las sustancias ensayadas, evidenciando su relación con la tensión
superficial.
Datos obtenidos a partir de la experiencia de laboratorio:
PROBETA (Ø int mm) (h)
SUSTANCIA 1 2 3 3.5 MENISCO TEMPERATURA
AGUA 15 5 3 1 CÓNCAVO
24 ALCOHOL 6 3 2 1 CÓNCAVO
ACETONA 3 2 2 1 CÓNCAVO
MERCURIO CONVEXO
Consideramos ahora los valores teóricos planteados para tensión superficial y
el peso específico de las sustancias ensayadas en el laboratorio.
SUSTANCIA TENSIÓN SUPERFICIAL
(10-3 N/m) PESO ESPECÍFICO ⁄
AGUA 72.8 9800
ALCOHOL 22.8 7938
ACETONA 23.7 7742
MERCURIO 0.484 133280
11
Una vez conocidos los valores teóricos para la tensión superficial de las
sustancias ensayadas podemos entonces proceder a calcular entonces el
ángulo de contacto haciendo uso de la fórmula para el cálculo de la capilaridad:
Para encontrar el ángulo de contacto despejamos de la ecuación:
12
Calculamos:
89.9710568
89.9807178
89.982646
89.99325122
89.970078
13
89.970078
89.970078
89.9825455
89.9859625
89.9812834
89.9719251
14
89.983623
123.4180558
133.5059383
128.285965
118.8096217
7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS
PROBETA (Ø int mm) (h)
SUSTANCIA 1 2 3 3.5 MENISCO TEMPERATURA
AGUA 15 5 3 1 CÓNCAVO
24 ALCOHOL 6 3 2 1 CÓNCAVO
ACETONA 3 2 2 1 CÓNCAVO
MERCURIO -8 - 5 -3 -2 CONVEXO
15
VALORES TEÓRICOS PARA LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y EL PESO
ESPECÍFICO
RESULTADOS
SUSTANCIA TENSIÓN
SUPERFICIAL (10-3 N/m) PESO ESPECÍFICO
AGUA 72.8 9800
ALCOHOL 22.8 7938
ACETONA 23.7 7742
MERCURIO 0.484 133280
PROBETA 1
SUSTANCIA peso específico
*diámetro*h 4*tensión superficial
Ɵ
AGUA 0.147 291.2 89.9710568
ALCOHOL 0.047628 91.2 89.970078
ACETONA 0.023226 94.8 89.9859625
MERCURIO -1.06624 1.936 123.4180558
PROBETA 2
SUSTANCIA peso específico *diámetro*h
4*tensión superficial
Ɵ
AGUA 0.098 291.2 89.9807178
ALCOHOL 0.047628 91.2 89.970078
ACETONA 0.030968 94.8 89.9812834
MERCURIO -1.3328 1.936 133.5059383
16
PROBETA 3
SUSTANCIA peso específico
*diámetro*h 4*tensión superficial
Ɵ
AGUA 0.0882 291.2 89.982646
ALCOHOL 0.047628 91.2 89.970078
ACETONA 0.046452 94.8 89.9719251
MERCURIO -1.19952 1.936 128.285965
PROBETA 4
SUSTANCIA peso específico
*diámetro*h 4*tensión superficial
Ɵ
AGUA 0.0343 291.2 89.932512
ALCOHOL 0.027783 91.2 89.9825455
ACETONA 0.027097 94.8 89.983623
MERCURIO -0.93296 1.936 118.8096217
17
GRÁFICAS
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0,014
0,016
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Alt
ura
cap
ilar
(m)
Diámetro (m)
AGUA
Series1
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Alt
ura
cap
ilar
(m)
Diámetro (m)
ALCOHOL
Series1
18
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,0035
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Alt
ura
cap
ilar
(m)
Diámetro (m)
ACETONA
Series1
-0,009
-0,008
-0,007
-0,006
-0,005
-0,004
-0,003
-0,002
-0,001
0
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Alt
ura
cap
ilar
(m)
Diámetro (m)
MERCURIO
Series1
19
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Una vez realizada la experiencia de laboratorio acerca de la capilaridad de los
fluidos líquidos, se pudo apreciar claramente los efectos que esta produce;
evidenciada en el ascenso o en el descenso del líquido ensayado contenido en
un beaker y que asciende o desciende por las paredes de un tubo capilar de
diámetros variados.
Por otra parte una de las sustancias ensayadas fue el agua, cuya fuerza de
adherencia es mayor que la fuerza de cohesión, permitiendo de esta forma
que el líquido en su parte superior presente una curvatura hacia arriba y cuyo
valor del ángulo de contacto con las paredes del recipiente es posible calcularlo
mediante la aplicación de métodos analíticos que relacionan la tensión
superficial y el peso específico de las sustancias. En lo que respecta al
mercurio, la fuerza de adherencia es menor que la fuerza de cohesión, por lo
cual se aprecia claramente que este forma una curvatura hacia abajo.
Igualmente, en lo que respecta al ángulo de contacto se tiene que éste es
menor a 90º para cualquier sustancia en la que las fuerzas de adherencia sean
más fuertes que las fuerzas de cohesión como lo fue el caso del agua, el
alcohol y la acetona, caracterizados en la experiencia por presentar una
curvatura de tipo cóncava; contrariamente, si predominaran las fuerzas de
cohesión, dicho ángulo sería mayor a 90º y presentaría una curvatura convexa,
tal como se evidenció experimentalmente en el mercurio.
20
9. GUÍA DE SÍNTESIS
1) ¿Cuál de los líquidos ensayados asciende con mayor rapidez y por qué?
De los líquidos ensayados, el agua fue la sustancia que ascendió con mayor
rapidez debido a que las fuerzas de adhesión fueron mayores que la de
cohesión. Igualmente esta rapidez de ascenso de los líquidos a través del tubo
capilar depende de las fuerzas ejercidas por parte del líquido con respecto al
recipiente; adicionalmente, la capilaridad, está ligada a las fuerzas generadas
por la tensión superficial y también por la forma en la que de alguna u otra
forma se mojan las paredes del tubo capilar.
2) ¿Cuál de los líquidos ensayados alcanza mayor altura y por qué?
Igualmente, el líquido que registró una altura mayor de todas las sustancias
ensayadas fue el agua; hecho que es posible explicarlo mediante el análisis
matemático de la fórmula establecida para la determinación de la altura capilar,
en donde es posible apreciar la relación proporcional entre la tensión superficial
e inversamente proporcional al peso específico de las sustancias ensayadas.
3) ¿Qué aplicabilidad tiene la propiedad de la capilaridad en la industria?
Cite ejemplos.
Sin lugar a dudas la capilaridad es una de las propiedades de los fluidos
que mayor aplicabilidad tiene en la industria; describiendo su importancia
desde las toallas absorbentes para cocina hasta las esponjas de limpieza
en el hogar cuyas propiedades son aprovechables en las labores de
21
limpieza. De igual forma esta propiedad también es aplicable en los
procesos de soldadura por capilaridad el cual tiene lugar cuando a la junta
de un tubo y de un accesorio, posterior a su calentamiento, se le aporta un
metal que se funde al contacto con ellos, garantizando de esta forma una
soldadura de tipo hermético y resistente.
4) ¿Qué efecto tiene el fenómeno de la capilaridad en las cimentaciones y
muros de edificaciones cuando esta se presenta en los suelos de
soporte?
Aunque la capilaridad tiene aplicaciones aprovechables para la industria,
sus efectos en algunos casos pueden ser destructivos para las
cimentaciones y muros de edificaciones debido a que el agua por sus
propiedades sube por las conexiones de soporte de la estructura,
provocando de esta manera que la humedad existente en el cimiento
debilite el material, que comúnmente es concreto, y se debilite por la acción
del agua, concretamente de la humedad que hace que los aditivos que
componen la mezcla se separen progresivamente y de esta manera dejar
expuesto al acero que refuerza la estructura; y que sumado la corrosión del
acero, provocan fisuras y grietas que poco a poco si no son tratadas a
tiempo terminan por acabar totalmente con el elemento de apoyo
estructural.
5) ¿Qué recomendaciones preventivas se deben hacer para evitar
problemas en las estructuras?
Entre las recomendaciones preventivas acerca de los problemas
estructurales debidos a la capilaridad está el tratamiento de las mezclas de
concreto empleadas en los procesos constructivos mediante aditivos y
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agentes químicos especiales, basados también en los ya conocidos
inclusores de aire, los cuales hacen que el tipo de material gane
impermeabilidad y pueda ofrecer un tipo de resistencia mayor a los efectos
capilares del agua. Igualmente, una recomendación puntual para la
prevención del fenómeno de capilaridad puede ser la inclusión e inyección
de resinas en las bases de las cimentaciones para garantizar de esta forma
el relleno parcial de los poros que componen las unidades de mampostería.
6) ¿Qué métodos existen para la reparación y protección de las estructuras
que han sido afectadas por este fenómeno?
En lo que respecta a patologías estructurales es clave señalar que con el
tiempo han surgido nuevas formas de reparar y restaurar daños producidos por
la capilaridad en edificaciones. En primera instancia es primordial verificar bajo
estudios precisos y ensayos de compresión el estado preciso del material, para
luego diagnosticar si es o no recuperable.
Hay que tener en cuenta que los materiales que han estado expuestos durante
mucho tiempo a los estragos de la capilaridad difícilmente pueden ser
restaurados o reemplazados debido a que por la acción de la humedad tienden
a podrirse y quedan prácticamente inservibles.
Actualmente, en la industria se maneja un tipo de resina que impermeabiliza las
superficies expuestas y consiste en la inyección de resina en la base de la
estructura, de modo que además de impedir el paso del agua, garanticen una
protección adicional al material.
23
10. CONCLUSIONES
Podemos concluir entonces que el aumento de la superficie de un líquido exige
un trabajo por unidad de superficie representada por la medida de la tensión
superficial de la sustancia.
Igualmente se tiene que mediante el resultado experimental y mediante el
análisis matemático respectivo, que la capilaridad de los líquidos ensayados
depende en gran manera del peso específico de la sustancia y está en función
de las tensiones superficiales de los mismos. En este sentido, también es
válida la afirmación de que el fenómeno de capilaridad es fácilmente
observable en la cotidianidad en muchos aspectos de la naturaleza.
Por otra parte encontramos entonces, que el ángulo de contacto en algunos de
los líquidos ensayados difiere en cuanto a la forma de la curva generada por el
mismo, la cual puede ser cóncava o convexa, dependiendo de la magnitud de
la fuerza de cohesión y de adhesión del líquido y del material en el cual este
está contenido. Adicionalmente al aumentar la profundidad respecto a la
superficie en un fluido aumenta la presión interna del fluido por la cual la
velocidad de salida también aumenta; por lo que los fluidos tienden a ascender
por las paredes del recipiente por el fenómeno de capilaridad para equilibrar su
tensión superficial con el peso de la sustancia.
BIBLIOGRAFÍA
POTTER, Merle C, WIGGERT, David C. Mecánica de fluidos 2da Edición,
Editiorial prentice Hall México.
SERWAY, Raymond, Física, Tomo 1, Cuarta edición, editorial Mc Graw Hill
interamericana editores, Bogotá 1997
W: SHANE. Introducción a la mecánica de fluidos, Editorial Mc. Graw Hill.
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