6.9 El agua tiene alta fuerza tensil

La cohesión da al agua, alta fuerza tensil o capacidad par resistir una fuerza de succión. En general no se piensa en la fuerza tensil de los líquidos, pero esa propiedad debe existir para que una columna de agua sea succionada hacia arriba por un tubo capilar sin romperse.

La fuerza tensil del agua, se puede demostrar, colocando agua en una jeringa tapada (Fig. 6-10). Cuando el émbolo se empuja, el agua se comprime y se construye una presión hidrostática positiva. La presión se mide en unidades llamadas pascales (Pa) o Megapascales (MPa).

Fig. 6.10. Con una jeringa cerrada se pueden crear presiones positivas y negativas en un fluido como el agua. Al empujar el émbolo se comprime el fluido y se genera una presión positiva. Si dentro de la jeringa se atrapa una pequeña burbuja de aire, esta se aplastará con el aumento de presión.

Por succión del émbolo, se creará una tensión o presión negativa en el fluido y cualquier burbuja de aire se expandirá en la medida que se reduce la presión con relación a la presión atmosférica. Debido a que la fase gaseosa se puede expandir indefinidamente, cuando una burbuja se expande dentro de la jeringa la presión nunca se reducirá hasta la del vacío. En una jeringa llena con una solución desgasificada y sin burbujas, se puede desarrollar presión bajo vacío (presión negativa) debido a que los puentes de hidrógeno que sostienen junto el fluido pueden soportar considerable tensión antes de romperse.

Si en cambio de empujar sobre émbolo, se succiona, para resistir esta fuerza, en el agua se desarrolla una presión hidrostática negativa o tensión. ¿Qué tan fuerte se puede succionar sobre el émbolo antes que las moléculas de agua se separen y se rompa la columna de agua? La ruptura de la columna necesita suficiente energía para superar la fuerza de atracción entre las moléculas de agua.

En la jeringa de la Fig. 2.10, pequeñas burbujas de aire pueden interferir con la medida, porque se expanden con la reducción de la presión. Sin embargo se ha demostrado que el agua en capilares pequeños pueden resistir tensiones negativas menores de - 30 MPa (el signo negativo indica tensión como opuesto a compresión). Este valor es solo una fracción de la fuerza teórica del agua calculada con base en la fuerza de los puentes de hidrógeno. El valor equivale al 10% de la fuerza tensil de un alambre de Cu o de Al, por tanto es importante.

La presencia de burbujas de gas reduce la fuerza tensil de las columnas de agua. La presión absoluta posible, mas baja en la fase gaseosa es 0 MPa (vacío puro) debido a que las fuerzas intermoleculares de atracción necesarias para resistir una presión negativa (o tensión) no existen en los gases ideales. En contraste en sólidos y líquidos las atracciones intermoleculares pueden resistir la fuerza tensil. Por tanto si una burbuja de gas se forma en una columna de agua bajo tensión, se expandirá indefinidamente, resultando el colapso de la fase líquida, fenómeno conocido como cavitación, cuyo efecto puede ser devastador sobre el transporte a través del xilema de los árboles.