Che cos'è la tensione superficiale? Definizione ed esperimenti

La tensione superficiale è un fenomeno in cui la superficie di un liquido, in cui il liquido è in contatto con un gas, agisce come un sottile foglio elastico. Questo termine viene in genere utilizzato solo quando la superficie del liquido è a contatto con il gas (come l'aria). Se la superficie si trova tra due liquidi (come acqua e olio), viene chiamata "tensione dell'interfaccia".

Varie forze intermolecolari, come le forze di Van der Waals, riuniscono le particelle liquide. Lungo la superficie, le particelle vengono tirate verso il resto del liquido, come mostrato nella figura a destra.

Tensione superficiale (indicata con la variabile greca gamma) è definito come il rapporto della forza superficiale F alla lunghezza d lungo il quale la forza agisce:

gamma = F / d

Unità di tensione superficiale

La tensione superficiale viene misurata in Unità SI di N / m (newton per metro), sebbene l'unità più comune sia l'unità cgs dyn / cm (dyne per centimetro).

Per considerare la termodinamica della situazione, a volte è utile considerarla in termini di

Queste forze legano insieme le particelle di superficie. Sebbene questo legame sia debole - dopo tutto è abbastanza facile rompere la superficie di un liquido - si manifesta in molti modi.

Gocce d'acqua. Quando si utilizza un contagocce, l'acqua non scorre in un flusso continuo, ma piuttosto in una serie di gocce. La forma delle gocce è causata dalla tensione superficiale dell'acqua. L'unico motivo per cui la goccia d'acqua non è completamente sferica è che la forza di gravità si abbassa su di essa. In assenza di gravità, la goccia minimizzerebbe l'area superficiale al fine di minimizzare la tensione, che si tradurrebbe in una forma perfettamente sferica.

Insetti che camminano sull'acqua. Diversi insetti sono in grado di camminare sull'acqua, come il ragno d'acqua. Le loro gambe sono formate per distribuire il loro peso, facendo deprimere la superficie del liquido, minimizzando il potenziale energia per creare un equilibrio di forze in modo che lo strider possa muoversi attraverso la superficie dell'acqua senza sfondare superficie. Questo è simile al concetto di indossare le racchette da neve per camminare su cumuli di neve profondi senza affondare i piedi.

Ago (o graffetta) che galleggia sull'acqua. Anche se la densità di questi oggetti è maggiore dell'acqua, la tensione superficiale lungo la depressione è sufficiente per contrastare la forza di gravità che si abbassa sull'oggetto metallico. Fai clic sull'immagine a destra, quindi fai clic su "Avanti" per visualizzare un diagramma di forza di questa situazione o provare il trucco dell'ago galleggiante per te stesso.

Quando si soffia una bolla di sapone, si crea una bolla d'aria pressurizzata che è contenuta in una superficie sottile ed elastica di liquido. La maggior parte dei liquidi non riesce a mantenere una tensione superficiale stabile per creare una bolla, motivo per cui il sapone viene generalmente utilizzato nel processo... stabilizza la tensione superficiale attraverso qualcosa chiamato effetto Marangoni.

Quando la bolla viene soffiata, il film superficiale tende a contrarsi. Questo fa aumentare la pressione all'interno della bolla. La dimensione della bolla si stabilizza a una dimensione in cui il gas all'interno della bolla non si contrarrà più, almeno senza far scoppiare la bolla.

In effetti, ci sono due interfacce liquido-gas su una bolla di sapone: quella all'interno della bolla e quella all'esterno della bolla. Tra le due superfici c'è un pellicola sottile di liquido.

La forma sferica di una bolla di sapone è causata dalla minimizzazione della superficie - per un dato volume, una sfera è sempre la forma che ha la minima superficie.

Per considerare la pressione all'interno della bolla di sapone, consideriamo il raggio R della bolla e anche la tensione superficiale, gamma, del liquido (sapone in questo caso - circa 25 dyn / cm).

Iniziamo assumendo nessuna pressione esterna (il che, ovviamente, non è vero, ma ci penseremo un po '). Quindi prendere in considerazione una sezione trasversale attraverso il centro della bolla.

Lungo questa sezione trasversale, ignorando la leggera differenza nel raggio interno ed esterno, sappiamo che la circonferenza sarà 2piR. Ogni superficie interna ed esterna avrà una pressione di gamma lungo l'intera lunghezza, quindi il totale. La forza totale dalla tensione superficiale (sia dal film interno che da quello esterno) è quindi 2gamma (2pi R).

All'interno della bolla, tuttavia, abbiamo una pressione p che agisce su tutta la sezione trasversale pi R², risultante in una forza totale di p(pi R²).

Poiché la bolla è stabile, la somma di queste forze deve essere zero, quindi otteniamo:

2 gamma (2 pi R) = p( pi R²)
o
p = 4 gamma / R

Ovviamente, questa è stata un'analisi semplificata in cui la pressione esterna alla bolla era 0, ma questa è facilmente espandibile per ottenere il valore differenza tra la pressione interna p e la pressione esterna p_e:

p - p_e = 4 gamma / R

Analizzare una goccia di liquido, al contrario di una bolla di sapone, è più semplice. Invece di due superfici, c'è solo la superficie esterna da considerare, quindi un fattore di 2 scende da l'equazione precedente (ricordi dove abbiamo raddoppiato la tensione superficiale per tenere conto di due superfici?) a dare la precedenza:

p - p_e = 2 gamma / R

La tensione superficiale si verifica durante un'interfaccia gas-liquido, ma se tale interfaccia viene a contatto con a superficie solida - come le pareti di un contenitore - l'interfaccia di solito curva verso l'alto o verso il basso vicino a quello superficie. Una tale forma di superficie concava o convessa è nota come a menisco

L'angolo di contatto, theta, è determinato come mostrato nella figura a destra.

L'angolo di contatto può essere utilizzato per determinare una relazione tra la tensione superficiale liquido-solido e la tensione superficiale liquido-gas, come segue:

gamma_ls = - gamma_lg cos theta

dove

• gamma_ls è la tensione superficiale solido-liquido
• gamma_lg è la tensione superficiale del gas liquido
• theta è l'angolo di contatto

Una cosa da considerare in questa equazione è che nei casi in cui il menisco è convesso (ovvero l'angolo di contatto è maggiore di 90 gradi), la componente coseno di questa equazione sarà negativa, il che significa che la tensione superficiale liquido-solido sarà positivo.

Se, d'altra parte, il menisco è concavo (cioè scende, quindi l'angolo di contatto è inferiore a 90 gradi), quindi il cos theta termine è positivo, nel qual caso la relazione si tradurrebbe in a negativo tensione superficiale solido-liquido!

Ciò significa essenzialmente che il liquido aderisce alle pareti del contenitore ed è lavorare per massimizzare l'area a contatto con la superficie solida, in modo da ridurre al minimo il potenziale complessivo energia.

Un altro effetto correlato all'acqua nei tubi verticali è la proprietà della capillarità, in cui la superficie del liquido diventa elevata o depressa all'interno del tubo in relazione al liquido circostante. Anche questo è correlato all'angolo di contatto osservato.

Se si dispone di un liquido in un contenitore e posizionare un tubo stretto (o capillare) di raggio r nel contenitore, lo spostamento verticale y che avverrà all'interno del capillare è dato dalla seguente equazione:

y = (2 gamma_lg cos theta) / ( dgr)

dove

• y è lo spostamento verticale (su se positivo, giù se negativo)
• gamma_lg è la tensione superficiale del gas liquido
• theta è l'angolo di contatto
• d è la densità del liquido
• g è l'accelerazione di gravità
• r è il raggio del capillare

NOTA: Ancora una volta, se theta è maggiore di 90 gradi (un menisco convesso), causando una tensione superficiale liquido-solida negativa, il livello del liquido scenderà rispetto al livello circostante, anziché aumentare rispetto a esso.

La capillarità si manifesta in molti modi nel mondo di tutti i giorni. I tovaglioli di carta assorbono attraverso la capillarità. Quando si brucia una candela, la cera fusa si solleva dallo stoppino per capillarità. In biologia, sebbene il sangue sia pompato in tutto il corpo, è questo processo che distribuisce il sangue nei vasi sanguigni più piccoli che vengono chiamati, in modo appropriato, capillari.

Materiali necessari:

• Da 10 a 12 trimestri
• bicchiere pieno d'acqua

Lentamente e con una mano ferma, porta i quarti uno alla volta al centro del bicchiere. Metti il ​​bordo stretto del quarto nell'acqua e lascialo andare. (Ciò riduce al minimo l'interruzione della superficie ed evita la formazione di onde non necessarie che possono causare trabocco.)

Mentre continui con più quarti, rimarrai stupito di come l'acqua convessa diventa sopra il vetro senza traboccare!

Possibile variante: Esegui questo esperimento con bicchieri identici, ma usa diversi tipi di monete in ogni bicchiere. Usa i risultati di quanti possono entrare per determinare un rapporto tra i volumi di monete diverse.

Materiali necessari:

• forcella (variante 1)
• pezzo di carta velina (variante 2)
• ago da cucito
• bicchiere pieno d'acqua

Posizionare l'ago sulla forcella, abbassandolo delicatamente nel bicchiere d'acqua. Estrarre con cautela la forcella ed è possibile lasciare l'ago fluttuante sulla superficie dell'acqua.

Questo trucco richiede una mano veramente ferma e un po 'di pratica, perché è necessario rimuovere la forcella in modo tale che parti dell'ago non si bagnino... o l'ago volontà Lavello. Puoi strofinare prima l'ago tra le dita per "oliarlo" aumentando le tue possibilità di successo.

Variante 2 Trucco

Posizionare l'ago per cucire su un piccolo pezzo di carta velina (abbastanza grande da contenere l'ago). L'ago è posizionato sulla carta velina. La carta velina si inzupperà di acqua e affonderà sul fondo del vetro, lasciando l'ago fluttuante sulla superficie.

Materiali necessari:

• candela accesa (NOTA: Non giocare con le partite senza l'approvazione e la supervisione dei genitori!)
• imbuto
• soluzione detergente o bolla di sapone

Posiziona il pollice sull'estremità piccola dell'imbuto. Portalo con cura verso la candela. Rimuovi il pollice e la tensione superficiale della bolla di sapone la farà contrarre, costringendo l'aria a uscire attraverso l'imbuto. L'aria forzata dalla bolla dovrebbe essere sufficiente per spegnere la candela.

Per un esperimento in qualche modo correlato, vedi il Palloncino razzo.

Materiali necessari:

• pezzo di carta
• forbici
• olio vegetale o detersivo liquido per lavastoviglie
• una grande ciotola o una pagnotta piena d'acqua

Dopo aver ritagliato il motivo del Pesce di carta, posizionalo sul contenitore dell'acqua in modo che galleggi in superficie. Metti una goccia di olio o detergente nel buco nel mezzo del pesce.

Il detergente o l'olio causano la caduta della tensione superficiale in quel foro. Ciò farà avanzare il pesce, lasciando una scia di olio mentre si muove attraverso l'acqua, senza fermarsi fino a quando l'olio non ha abbassato la tensione superficiale dell'intera ciotola.

La tabella seguente mostra i valori di tensione superficiale ottenuti per liquidi diversi a varie temperature.

Valori sperimentali di tensione superficiale

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.