Presión y tensión superficial

"¿Dónde hay alguna posibilidad de que las fuerzas desequilibradas causen tensión superficial?"

Creo que es una mala interpretación hablar de que la tensión superficial es causada por fuerzas desequilibradas. La explicación simple más convincente de ST que he encontrado es que la superficie está ligeramente desprovista de moléculas, es decir, hay menos moléculas por unidad de superficie de las que habría en un plano imaginario atravesando la mayor parte del líquido.

[El agotamiento ocurre así. Supongamos que de repente creamos una nueva superficie. Las moléculas migrarán (por movimiento aleatorio) desde la superficie hacia la mayor parte del fluido a una velocidad mayor que las moléculas que migran de la mayor parte a la superficie. ¿Por qué? Porque las moléculas en la superficie no tienen moléculas sobre ellas que las retengan mediante fuerzas de atracción. Muy rápidamente, la superficie se agotará y las tasas de transporte de moléculas hacia y desde la superficie serán iguales: equilibrio dinámico.]

Debido al agotamiento, las moléculas en la superficie están un poco más separadas que su separación de equilibrio y, por lo tanto, se atraen entre sí. Este es el origen de la tensión superficial; la superficie está bajo tensión por la misma razón que una cuerda está bajo tensión cuando se estira.

Debido a las fuerzas de contacto entre el borde de la superficie y el recipiente, la superficie adquiere una curvatura, y si el líquido se eleva en los bordes donde se encuentra con el recipiente, la presión será menor en el líquido que en el aire, por puntos justo debajo y justo encima de la superficie. El recipiente ejerce una fuerza hacia arriba sobre el líquido. Esto es simplemente una cuestión de observar las direcciones de las fuerzas que actúan, sabiendo que la superficie está bajo tensión.

Es más fácil comprender la acción de la tensión superficial sin vasos ni gravedad involucrados.

Bajo tales condiciones, el líquido formaría una gota esférica para minimizar su tensión superficial.

Dado que las moléculas en la superficie experimentan una mayor atracción desde el interior de la gota (cohesión) que desde el exterior (adhesión), cualquier protuberancia en la superficie de la gota desaparecerá automáticamente, ya que las moléculas de su superficie tendrán una exposición relativamente mayor al aire. y por lo tanto, en general, serán atraídos con más fuerza hacia el interior, hasta que estén a la misma exposición o al mismo radio que otras moléculas en la superficie de la gota (esférica).

Como resultado de tal acción de compresión de las moléculas de la superficie, la presión dentro de la gota será más alta que la presión fuera de la gota, y esa presión más alta será la fuerza que equilibre la tensión superficial. Obviamente, sin esa presión adicional, la tensión superficial permanecería desequilibrada.

Esta presión interna adicional se puede calcular usando la ecuación de Young-Laplace que puedes buscar en Google. Para una gota esférica, será inversamente proporcional al radio de la gota:

ΔP=2σ/r

A partir de aquí, puede ver que, para una gota relativamente pequeña, su declaración "Sobre cualquier partícula de la capa superior, la presión P atmosférica actúa desde todas las direcciones, incluso desde el líquido debajo" no sería muy precisa, porque la presión que actúa sobre la la capa superior desde abajo sería más alta que la presión atmosférica.

Si la presión exterior aumenta (Q2) y la gota no se comprime, es decir, su radio permanece igual, la tensión superficial seguirá siendo la misma y la presión interior aumentará en la misma cantidad que la presión exterior, manteniendo todo en equilibrio.