Fuerza que actúa a lo largo de una línea en la superficie del líquido

Se mide en newtons por metro (N/m) o dinas por centímetro (dyn/cm). Si imagina un marco con un lado móvil en contacto con una película líquida, la tensión superficial es la fuerza que tira de ese lado dividida por su longitud. Esta es la definición mecánica.

Fórmula: γ = F/L donde F = fuerza, L = longitud del borde

Ejemplo: Agua a 20°C = 72.8 mN/m significa 0.0728 N de fuerza por metro de borde

Energía requerida para crear una nueva área superficial

Se mide en julios por metro cuadrado (J/m²) o ergios por centímetro cuadrado (erg/cm²). Crear una nueva área superficial requiere trabajo contra las fuerzas intermoleculares. Es numéricamente idéntica a la tensión superficial pero representa la perspectiva de la energía en lugar de la perspectiva de la fuerza.

Fórmula: γ = E/A donde E = energía, A = aumento del área superficial

Ejemplo: Agua a 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (mismo número, doble interpretación)

Las fuerzas intermoleculares determinan el comportamiento de la superficie

Cohesión: atracción entre moléculas iguales (líquido-líquido). Adhesión: atracción entre moléculas diferentes (líquido-sólido). Alta cohesión → alta tensión superficial → las gotas se agrupan. Alta adhesión → el líquido se extiende (mojado). El equilibrio determina el ángulo de contacto y la acción capilar.

Ángulo de contacto θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (ecuación de Young)

Ejemplo: El agua sobre vidrio tiene un θ bajo (adhesión > cohesión) → se extiende. El mercurio sobre vidrio tiene un θ alto (cohesión >> adhesión) → se agrupa en gotas.

Primeros experimentos cuantitativos sobre la tensión superficial

El físico alemán Segner estudió agujas flotantes y observó que las superficies del agua se comportan como membranas estiradas. Calculó las fuerzas pero carecía de una teoría molecular para explicar el fenómeno.

Ecuación de Young para el ángulo de contacto

El polímata británico Young derivó la relación entre la tensión superficial, el ángulo de contacto y el mojado: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Esta ecuación fundamental todavía se utiliza hoy en día en la ciencia de los materiales y la microfluídica.

Ecuación de Young-Laplace para la presión

Laplace derivó ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), demostrando que las interfaces curvas tienen diferencias de presión. Explica por qué las burbujas pequeñas tienen una presión interna mayor que las grandes, lo cual es fundamental para comprender la fisiología pulmonar y la estabilidad de las emulsiones.

Teoría molecular de la tensión superficial

El físico holandés van der Waals explicó la tensión superficial utilizando las fuerzas intermoleculares. Su trabajo sobre la atracción molecular le valió el Premio Nobel en 1910 y sentó las bases para la comprensión de la capilaridad, la adhesión y el punto crítico.

Monocapas y química de superficies

Langmuir estudió las películas moleculares en las superficies del agua, creando el campo de la química de superficies. Su trabajo sobre surfactantes, adsorción y orientación molecular le valió el Premio Nobel en 1932. Las películas de Langmuir-Blodgett llevan su nombre.

La tensión superficial determina el mojado, la extensión y la adhesión:

• Formulación de pinturas: Ajuste γ a 25-35 mN/m para una extensión óptima sobre sustratos
• Impresión de inyección de tinta: La tinta debe tener γ < sustrato para el mojado (típicamente 25-40 mN/m)
• Tratamiento corona: Aumenta la energía superficial del polímero de 30 → 50+ mN/m para la adhesión
• Recubrimientos en polvo: La baja tensión superficial ayuda a la nivelación y al desarrollo del brillo
• Recubrimientos anti-graffiti: Un γ bajo (15-20 mN/m) previene la adhesión de la pintura
• Control de calidad: Tensiómetro de anillo de du Noüy para la consistencia entre lotes

Los detergentes funcionan reduciendo la tensión superficial:

• Agua pura: γ = 72.8 mN/m (no penetra bien en los tejidos)
• Agua + jabón: γ = 25-30 mN/m (penetra, moja, elimina el aceite)
• Concentración Micelar Crítica (CMC): γ cae bruscamente hasta la CMC, luego se estabiliza
• Agentes humectantes: Los limpiadores industriales reducen γ a <30 mN/m
• Líquido lavavajillas: Formulado a γ ≈ 27-30 mN/m para la eliminación de grasa
• Pulverizadores de pesticidas: Añaden surfactantes para reducir γ para una mejor cobertura de las hojas

La tensión interfacial entre el petróleo y el agua afecta la extracción:

• Tensión interfacial petróleo-agua: Típicamente 20-50 mN/m
• Recuperación mejorada de petróleo (EOR): Inyectar surfactantes para reducir γ a <0.01 mN/m
• γ bajo → las gotas de petróleo se emulsionan → fluyen a través de la roca porosa → mayor recuperación
• Caracterización del crudo: El contenido de aromáticos afecta la tensión superficial
• Flujo en tuberías: Un γ más bajo reduce la estabilidad de la emulsión, ayuda a la separación
• El método de la gota colgante mide γ a la temperatura/presión del yacimiento

La tensión superficial es fundamental para los procesos vitales:

• Surfactante pulmonar: Reduce la γ alveolar de 70 a 25 mN/m, previniendo el colapso
• Bebés prematuros: Síndrome de dificultad respiratoria debido a un surfactante insuficiente
• Membranas celulares: γ de la bicapa lipídica ≈ 0.1-2 mN/m (muy bajo para la flexibilidad)
• Plasma sanguíneo: γ ≈ 50-60 mN/m, aumentado en enfermedades (diabetes, aterosclerosis)
• Película lagrimal: Estructura multicapa con una capa lipídica que reduce la evaporación
• Respiración de los insectos: El sistema traqueal depende de la tensión superficial para evitar la entrada de agua

Los zapateros (Gerridae) explotan la alta tensión superficial del agua (72.8 mN/m) para soportar 15 veces su peso corporal. Sus patas están cubiertas de pelos cerosos que son superhidrofóbicos (ángulo de contacto >150°). Cada pata crea un hoyuelo en la superficie del agua, y la tensión superficial proporciona la fuerza ascendente. Si se añade jabón (reduciendo γ a 30 mN/m), ¡se hunden inmediatamente!

La tensión superficial actúa para minimizar el área superficial para un volumen dado. La esfera tiene el área superficial mínima para cualquier volumen (desigualdad isoperimétrica). Las pompas de jabón lo demuestran maravillosamente: el aire del interior empuja hacia afuera, la tensión superficial tira hacia adentro y el equilibrio crea una esfera perfecta. Las burbujas no esféricas (como las cúbicas en marcos de alambre) tienen una energía más alta y son inestables.

Los pulmones de los recién nacidos contienen surfactante pulmonar (fosfolípidos + proteínas) que reduce la tensión superficial alveolar de 70 a 25 mN/m. Sin él, los alvéolos colapsan durante la exhalación (atelectasia). Los bebés prematuros carecen de suficiente surfactante, lo que causa el Síndrome de Dificultad Respiratoria (SDR). Antes de la terapia con surfactante sintético (década de 1990), el SDR era una de las principales causas de muerte neonatal. Ahora, las tasas de supervivencia superan el 95%.

Vierta vino en una copa y observe: se forman gotas en los lados, suben y vuelven a caer: las 'lágrimas del vino'. Este es el efecto Marangoni: el alcohol se evapora más rápido que el agua, creando gradientes de tensión superficial (γ varía espacialmente). El líquido fluye de regiones de baja γ a regiones de alta γ, arrastrando el vino hacia arriba. Cuando las gotas se vuelven lo suficientemente pesadas, la gravedad gana y caen. Los flujos de Marangoni son cruciales en la soldadura, los recubrimientos y el crecimiento de cristales.

Las moléculas de jabón son anfifílicas: cola hidrofóbica (odia el agua) + cabeza hidrofílica (ama el agua). En solución, las colas sobresalen de la superficie del agua, alterando los enlaces de hidrógeno y reduciendo γ de 72 a 25-30 mN/m. En la Concentración Micelar Crítica (CMC), las moléculas forman micelas esféricas con las colas en el interior (atrapando el aceite) y las cabezas en el exterior. Por eso el jabón elimina la grasa: el aceite se solubiliza dentro de las micelas y se lava.

Deje caer un cristal de alcanfor sobre el agua y se desplazará por la superficie como un pequeño barco. El alcanfor se disuelve asimétricamente, creando un gradiente de tensión superficial (γ más alto detrás, más bajo delante). La superficie tira del cristal hacia las regiones de alta γ, un motor de tensión superficial. Esto fue demostrado por el físico C.V. Boys en 1890. Los químicos modernos utilizan una propulsión Marangoni similar para microrobots y vehículos de administración de fármacos.

Esta es una relación termodinámica fundamental, no una coincidencia. Dimensionalmente: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² y [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². ¡Tienen dimensiones base idénticas! Físicamente: crear 1 m² de nueva superficie requiere un trabajo = fuerza × distancia = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Así que γ medida como fuerza/longitud es igual a γ medida como energía/área. Agua a 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (mismo número, doble interpretación).

Cohesión: atracción entre moléculas iguales (agua-agua). Adhesión: atracción entre moléculas diferentes (agua-vidrio). Alta cohesión → alta tensión superficial → las gotas se agrupan (mercurio sobre vidrio). Alta adhesión en relación con la cohesión → el líquido se extiende (agua sobre vidrio limpio). El equilibrio determina el ángulo de contacto θ a través de la ecuación de Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. El mojado ocurre cuando θ < 90°; el agrupamiento en gotas cuando θ > 90°. Las superficies superhidrofóbicas (hoja de loto) tienen θ > 150°.

Las moléculas de jabón son anfifílicas: cola hidrofóbica + cabeza hidrofílica. En la interfaz agua-aire, las colas se orientan hacia afuera (evitando el agua) y las cabezas hacia adentro (atraídas por el agua). Esto altera los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua en la superficie, reduciendo la tensión superficial de 72.8 a 25-30 mN/m. Un γ más bajo permite que el agua moje los tejidos y penetre en la grasa. En la Concentración Micelar Crítica (CMC, típicamente 0.1-1%), las moléculas forman micelas que solubilizan el aceite.

Una temperatura más alta da a las moléculas más energía cinética, debilitando las atracciones intermoleculares (enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals). Las moléculas de la superficie tienen una menor tracción neta hacia adentro → menor tensión superficial. Para el agua: γ disminuye ~0.15 mN/m por °C. A la temperatura crítica (374°C para el agua, 647 K), la distinción líquido-gas desaparece y γ → 0. La regla de Eötvös lo cuantifica: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) donde V = volumen molar, T_c = temperatura crítica.

Cuatro métodos principales: (1) Anillo de du Noüy: Se tira de un anillo de platino desde la superficie, se mide la fuerza (el más común, ±0.1 mN/m). (2) Placa de Wilhelmy: Una placa delgada suspendida que toca la superficie, se mide la fuerza continuamente (la más alta precisión, ±0.01 mN/m). (3) Gota colgante: Se analiza ópticamente la forma de la gota utilizando la ecuación de Young-Laplace (funciona a altas T/P). (4) Ascenso capilar: El líquido sube por un tubo estrecho, se mide la altura: γ = ρghr/(2cosθ) donde ρ = densidad, h = altura, r = radio, θ = ángulo de contacto.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) describe la diferencia de presión a través de una interfaz curva. R₁ y R₂ son los radios principales de curvatura. Para una esfera (burbuja, gota): ΔP = 2γ/R. Las burbujas pequeñas tienen una presión interna mayor que las grandes. Ejemplo: una gota de agua de 1 mm tiene ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Esto explica por qué las burbujas pequeñas en la espuma se encogen (el gas se difunde de las pequeñas a las grandes) y por qué los alvéolos pulmonares necesitan surfactante (reduce γ para que no colapsen).

Mercurio: Cohesión fuerte (enlaces metálicos, γ = 486 mN/m) >> adhesión débil al vidrio → ángulo de contacto θ ≈ 140° → se agrupa en gotas. Agua: Cohesión moderada (enlaces de hidrógeno, γ = 72.8 mN/m) < adhesión fuerte al vidrio (enlaces de hidrógeno con los grupos -OH de la superficie) → θ ≈ 0-20° → se extiende. Ecuación de Young: cos θ = (γ_sólido-vapor - γ_sólido-líquido)/γ_líquido-vapor. Cuando la adhesión > cohesión, cos θ > 0, por lo que θ < 90° (mojado).

No. La tensión superficial siempre es positiva; representa el costo energético de crear una nueva área superficial. Un γ negativo significaría que las superficies se expandirían espontáneamente, violando la termodinámica (la entropía aumenta, pero la fase de volumen es más estable). Sin embargo, la tensión interfacial entre dos líquidos puede ser muy baja (cercana a cero): en la recuperación mejorada de petróleo, los surfactantes reducen la γ aceite-agua a <0.01 mN/m, causando una emulsificación espontánea. En el punto crítico, γ = 0 exactamente (la distinción líquido-gas desaparece).