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FISICOQUÍMICA DE ALIMENTOS (1514) UNIDAD 2. …

FISICOQU MICA DE ALIMENTOS (1514). UNIDAD 2. TENSI N SUPERFICIAL Y TENSI N interfacial . Mtra. Josefina Viades Trejo 02 de marzo de 2012. Definic on, tipos de superficies e importancia. 1. Superficie. Una superficie es en realidad una interfase = intercara = interfaz 2. Fase. Es una parte (porci n) homog nea del sistema, con propiedades intensivas constantes a lo largo de toda la fase. Por ejemplo: un sistema constituido por un cristal de AgBr en equilibrio con una soluci n de dicha sal tiene dos fases el s lido (cristal) y la disoluci n. Propiedades intensivas son aquellas propiedades que no dependen de la cantidad de materia en el sistema como la densidad y la presi n (una gota de agua y una piscina tienen la misma densidad). Una fase puede constar de varias partes separadas, en el caso anterior, puede haber m s de un cristal de AgBr en equilibrio con la disoluci n y todos los cristales forman parte de la misma fase, o en el caso de una bebida carbonatada todas las burbujas del gas forman una sola fase.

1 FISICOQUÍMICA DE ALIMENTOS (1514) UNIDAD 2. TENSIÓN SUPERFICIAL Y TENSIÓN INTERFACIAL. Mtra. Josefina Viades Trejo 02 de marzo de 2012 2.1.

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1 FISICOQU MICA DE ALIMENTOS (1514). UNIDAD 2. TENSI N SUPERFICIAL Y TENSI N interfacial . Mtra. Josefina Viades Trejo 02 de marzo de 2012. Definic on, tipos de superficies e importancia. 1. Superficie. Una superficie es en realidad una interfase = intercara = interfaz 2. Fase. Es una parte (porci n) homog nea del sistema, con propiedades intensivas constantes a lo largo de toda la fase. Por ejemplo: un sistema constituido por un cristal de AgBr en equilibrio con una soluci n de dicha sal tiene dos fases el s lido (cristal) y la disoluci n. Propiedades intensivas son aquellas propiedades que no dependen de la cantidad de materia en el sistema como la densidad y la presi n (una gota de agua y una piscina tienen la misma densidad). Una fase puede constar de varias partes separadas, en el caso anterior, puede haber m s de un cristal de AgBr en equilibrio con la disoluci n y todos los cristales forman parte de la misma fase, o en el caso de una bebida carbonatada todas las burbujas del gas forman una sola fase.

2 1. La definici n de fase no hace referencia a s lidos, l quidos o gases, un sistema puede ser enteramente l quido o s lido y tener m s de una fase; dos l quidos casi inmiscibles o dos s lidos por ejemplo diamante y grafito. 3. Interfase. Aquella regi n en el espacio en la cual el sistema como un todo sufre una transici n de una fase a la otra, o tambi n se puede definir como la regi n a trav s de la cual las propiedades intensivas del sistema cambian desde aquellas correspondientes a una fase hasta las de la otra fase. Si la interfase no tiene una energ a libre positiva, no puede existir como una frontera estable entre dos fases. Para que la interfase sea estable, debe tener una energ a libre positiva interfacial tal, que deba realizarse trabajo para aumentar la interfase; en caso contrario y de no existir otras fuerzas externas como la fuerza de la gravedad que separa las fases por densidad y otros factores, entonces factores aleatorios como el movimiento Browniano distorsionan la interfase hasta que las fases se mezclan.

3 Existen los siguientes tipos de interfases: i. S lido - S lido ii. S lido L quido iii. S lido Gas iv. L quido L quido v. L quido - gas 2. 4. Fen menos Interfaciales. Un fen meno interfacial puede definirse como aquel relacionado a la interacci n de por lo menos el seno de una fase (s lida o l quida) con otra fase (s lida, l quida o gaseosa) o con el vac o, en la regi n estrecha en que sucede la transici n de una fase a la otra (interfase). Los fen menos interfaciales son los siguientes: i. Tensi n superficial. ii. Adhesi n. iii. Cohesi n iv. Extensi n v. Adsorci n Termodin mica de sistemas con interfase. Funciones termodin micas de superficie Los tomos (en los cristales) o mol culas (en s lidos y l quidos) est n unidos por medio de energ a cohesiva que no es igual para todos sino que difiere para los de la superficie, porque stos est n rodeados de menos vecinos que los del interior.

4 En un s lido compuesto por N mol culas esf ricas ordenadas compactamente, la energ a (E) cohesiva/mol las mantiene unidas con una energ a = E/N por mol cula. Cada mol cula est rodeada por 12 mol culas iguales, por tanto la fuerza de uni n es / 12, mientras que una mol cula en la superficie s lo est unida a otras 9 as su energ a de uni n es 9 / 12 = 3 / 4 , por tanto su energ a es mayor que la de las mol culas en el interior. 3. Si suponemos un cuerpo cristalino homog neo formado por N tomos y rodeado de superficies planas, entonces: E = NE 0 + AE S ( ). E es la energ a total del cuerpo, E0 es la energ a del s lido por tomo, ES es la energ a superficial espec fica (energ a/ UNIDAD de rea), A rea de la superficie. Por tanto ES es el exceso de energ a total del s lido respecto a NE0 el cual ser a el valor de E que se tendr a si la superficie la superficie estuviera en el mismo estado termodin mico que el seno.

5 S = NS 0 + AS S ( ). Los significados similares a la ecuaci n 1 similarmente la energ a de Helmholtz superficial (energ a por UNIDAD de rea): A S = E S TS S ( ). G S = H S TS S ( ). HS es la entalp a superficial o sea el calor absorbido por el sistema por UNIDAD de rea de interfase creada. G = NG 0 + AG S ( ). 4. Vemos con las ecuaciones ( , y ) las propiedades termodin micas de la superficie como excesos respecto a las correspondientes propiedades del s lido debido a la presencia de la superficie. Trabajo superficial en sistemas de un componente. Para crear una superficie es necesario romper enlaces y desplazar tomos circundantes por tanto se ejerce un trabajo sobre el sistema. Si el trabajo se realiza en condiciones de T y p constantes, entonces en el equilibrio el trabajo superficial reversible es: WTS, P = dA ( ). Se usa porque no es una diferencial exacta pues depende de las condiciones en que se realiza el proceso.

6 Este trabajo es comparable al trabajo reversible necesario para incrementar el volumen de un sistema a p constante (pdV). El t rmino tiene un significado similar pero en dos dimensiones a la p y se puede considerar como una presi n a lo largo del plano superficial que se opone a la creaci n de m s superficie por tanto es una fuerza por UNIDAD de longitud dina / cm o erg/cm2. dV se corresponde con dA. Tensi n Superficial. 5. Definici n: Fuerza perpendicular a la superficie del l quido dirigida hacia el seno de ste. Fuerza en dinas que act a en direcci n perpendicular, sobre toda l nea de 1. cm de longitud en la superficie. Actualmente N/m Responsable de la tendencia de la superficie a contraerse y hacer que el l quido asuma el estado de energ a m nima (superficie m nima). Ej. gotas y burbujas. Tensi n interfacial .. / = /.

7 Tensi n interfacial intermedia entre los valores de las tensiones superficiales. En procesos reversibles WS es igual a la variaci n de energ a libre total de la superficie la cual es igual a GS por el rea de la interfase WTS, P = d (G S A) ( ). La creaci n de una interfase va acompa ada de una G de formaci n positiva y esta resistencia del s lido o l quido a formar una superficie define muchas propiedades de las interfases. 6. Si la nueva superficie se obtiene incrementando el rea, por ejemplo si se incrementa el rea del s lido o cristal por fisura, o se somete el s lido a tensi n a altas temperaturas en condiciones en que los tomo pueden difundirse hacia la superficie, en estas circunstancias no se mantiene el estado de tensi n por tanto GS. no es proporcional a A y su derivada parcial es cero (G S A) S G S . W S. T ,P = dA = G + A dA ( ).

8 A T ,P A T ,P . WTS, P = G S dA ( ). Igualando ( y ). = GS ( ). G . = GS = ( ). A T ,P. La derivada parcial en la ecuaci n ( ) es el incremento de energ a libre total del sistema/ UNIDAD de rea superficial incrementada 7. Tensi n superficial como fuerza por UNIDAD de longitud. Como resultado de la tensi n superficial, para aumentar la superficie han de moverse mol culas desde el seno hacia la superficie contra las fuerzas de atracci n intermolecular, por lo que es necesario efectuar un trabajo, o sea, suministrar energ a. Para definir este W se puede pensar en un bastidor de alambre que tiene una varilla m vil y poniendo en l una pel cula l quida (soluci n jabonosa) extendida sobre el rea ABCD, la que puede estirarse aplicando una fuerza (peso) en la varilla m vil de longitud L, la cual act a contra la (si se quita el peso la superficie se vuelve a contraer) por tanto la es la fuerza por UNIDAD de longitud a lo largo de la varilla existente en la superficie de la pel cula y que se opone al aumento de la superficie.

9 La longitud total a considerar es 2L (pel cula bidimensional). L. B C. A D. dS. f 8. f = ( ). 2L. f fuerza necesaria para romper la pel cula, para calcular el trabajo realizado se despeja f de la ecuaci n ( ). f = 2L ( ). Cuando la varilla est en AD y se cuelga el peso para aumentar el rea en una cantidad dS el dW (fuerza x distancia) ser . dW = fdS = 2 L dS ( ). 2 LxdS =dA es el aumento de rea superficial producido por la extensi n de la pel cula de jab n dW = dA ( ). Para una variaci n finita: W = A ( ). W es el trabajo realizado, o sea, el incremento de la energ a libre superficial. 9. Efecto de Temperatura. La tensi n superficial disminuye al aumentar la temperatura. Por el aumento de la energ a cin tica, el movimiento t rmico y las tendencias de escape. G S . = = S. S. ( ). T P , A T P , A. Van der Waalls y Guggenheim n 1 T.

10 = 0. 0; conforme Tc T ( ). T. c . 0 es la tensi n superficial del l quido en el cero absoluto, Tc es la temperatura cr tica del l quido o s lido. n~1 para metales y n>1 para l quidos org nicos. En una gr fica de vs T la pendiente es -SS y es negativa, en ocasiones la superficie se hace m s ordenada al aumentar la T y entonces la pendiente es positiva. Otras veces la superficie se desordena m s r pido que el resto de de la fase condensada y 0 antes de lo predicho por la ecuaci n ( ). Tensi n superficial en sistemas multi componentes. Isoterma de adsorci n de Gibbs. El potencial qu mico del componente i en un sistema multi componente est . definido como: 10. G . i = G i = ( ). n i n j ,T , P. Esto es el potencial qu mico es igual a la energ a libre molar parcial del componente, la derivada parcial ( G/ ni) es la variaci n de la energ a libre total del sistema con respecto a ni.


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