Qu'est-ce que la tension superficielle? Définition et expériences

La tension superficielle est un phénomène dans lequel la surface d'un liquide, où le liquide est en contact avec un gaz, agit comme une mince feuille élastique. Ce terme n'est généralement utilisé que lorsque la surface du liquide est en contact avec du gaz (comme l'air). Si la surface se trouve entre deux liquides (tels que l'eau et l'huile), cela s'appelle «tension d'interface».

Diverses forces intermoléculaires, telles que les forces de Van der Waals, rassemblent les particules liquides. Le long de la surface, les particules sont tirées vers le reste du liquide, comme le montre l'image à droite.

Tension superficielle (indiquée par la variable grecque gamma) est défini comme le rapport de la force de surface F à la longueur ré le long duquel la force agit:

gamma = F / ré

Unités de tension superficielle

La tension superficielle est mesurée en Unités SI de N / m (newton par mètre), bien que l'unité la plus courante soit l'unité cgs dyn / cm (dyne par centimètre).

Afin de considérer la thermodynamique de la situation, il est parfois utile de la considérer en termes de travail par unité de surface. L'unité SI, dans ce cas, est le J / m² (joules par mètre carré). L'unité cgs est erg / cm².

Ces forces lient les particules de surface entre elles. Bien que cette liaison soit faible - il est assez facile de briser la surface d'un liquide après tout - elle se manifeste de nombreuses façons.

Gouttes d'eau. Lorsque vous utilisez un compte-gouttes d'eau, l'eau ne coule pas dans un flux continu, mais plutôt dans une série de gouttes. La forme des gouttes est causée par la tension superficielle de l'eau. La seule raison pour laquelle la goutte d'eau n'est pas complètement sphérique est que la force de gravité la tirant vers le bas. En l'absence de gravité, la goutte minimiserait la surface afin de minimiser la tension, ce qui donnerait une forme parfaitement sphérique.

Insectes marchant sur l'eau. Plusieurs insectes sont capables de marcher sur l'eau, comme l'araignée d'eau. Leurs jambes sont formées pour répartir leur poids, provoquant une dépression de la surface du liquide, minimisant le potentiel l'énergie pour créer un équilibre des forces afin que le strider puisse se déplacer à travers la surface de l'eau sans traverser la surface. C'est un concept similaire à celui de porter des raquettes pour traverser de profondes congères sans que vos pieds ne s'enfoncent.

Aiguille (ou trombone) flottant sur l'eau. Même si la densité de ces objets est supérieure à celle de l'eau, la tension superficielle le long de la dépression est suffisante pour contrer la force de gravité qui tire sur l'objet métallique. Cliquez sur l'image à droite, puis cliquez sur "Suivant" pour afficher un diagramme de force de cette situation ou essayez par vous-même l'astuce de l'aiguille flottante.

Lorsque vous soufflez une bulle de savon, vous créez une bulle d'air sous pression qui est contenue dans une mince surface élastique de liquide. La plupart des liquides ne peuvent pas maintenir une tension de surface stable pour créer une bulle, c'est pourquoi le savon est généralement utilisé dans le processus... il stabilise la tension superficielle grâce à ce que l'on appelle l'effet Marangoni.

Lorsque la bulle est soufflée, le film de surface a tendance à se contracter. Cela fait augmenter la pression à l'intérieur de la bulle. La taille de la bulle se stabilise à une taille où le gaz à l'intérieur de la bulle ne se contractera plus, du moins sans éclater la bulle.

En fait, il y a deux interfaces liquide-gaz sur une bulle de savon - celle à l'intérieur de la bulle et celle à l'extérieur de la bulle. Entre les deux surfaces est un couche mince de liquide.

La forme sphérique d'une bulle de savon est causée par la minimisation de la surface - pour un volume donné, une sphère est toujours la forme qui a la plus petite surface.

Pour considérer la pression à l'intérieur de la bulle de savon, nous considérons le rayon R de la bulle et aussi de la tension superficielle, gamma, du liquide (savon dans ce cas - environ 25 dyn / cm).

Nous commençons par supposer qu'il n'y a pas de pression externe (ce qui, bien sûr, n'est pas vrai, mais nous nous en occuperons un peu). Vous considérez ensuite une coupe transversale à travers le centre de la bulle.

Le long de cette section transversale, en ignorant la très légère différence de rayon intérieur et extérieur, nous savons que la circonférence sera de 2piR. Chaque surface intérieure et extérieure aura une pression de gamma sur toute la longueur, donc le total. La force totale de la tension superficielle (du film intérieur et extérieur) est donc 2gamma (2pi R).

À l'intérieur de la bulle, cependant, nous avons une pression p qui agit sur toute la section pi R², résultant en une force totale de p(pi R²).

La bulle étant stable, la somme de ces forces doit être nulle donc on obtient:

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

De toute évidence, il s'agissait d'une analyse simplifiée où la pression à l'extérieur de la bulle était de 0, mais elle est facilement étendue pour obtenir la différence entre la pression intérieure p et la pression extérieure p_e:

p - p_e = 4 gamma / R

Analyser une goutte de liquide, par opposition à une bulle de savon, est plus simple. Au lieu de deux surfaces, il n'y a que la surface extérieure à considérer, donc un facteur de 2 tombe l'équation précédente (rappelez-vous où nous avons doublé la tension de surface pour tenir compte de deux surfaces?) à rendement:

p - p_e = 2 gamma / R

La tension superficielle se produit pendant une interface gaz-liquide, mais si cette interface entre en contact avec un surface solide - comme les parois d'un conteneur - l'interface se courbe généralement vers le haut ou vers le bas près de celle surface. Une telle forme de surface concave ou convexe est connue ménisque

L'angle de contact, thêta, est déterminé comme indiqué dans l'image de droite.

L'angle de contact peut être utilisé pour déterminer une relation entre la tension superficielle liquide-solide et la tension superficielle liquide-gaz, comme suit:

gamma_ls = - gamma_lg cos thêta

où

• gamma_ls est la tension superficielle liquide-solide
• gamma_lg est la tension superficielle liquide-gaz
• thêta est l'angle de contact

Une chose à considérer dans cette équation est que dans les cas où le ménisque est convexe (c'est-à-dire que l'angle de contact est supérieur à 90 degrés), la composante cosinus de cette équation sera négative, ce qui signifie que la tension superficielle liquide-solide sera positif.

Si, d'autre part, le ménisque est concave (c'est-à-dire qu'il plonge vers le bas, donc l'angle de contact est inférieur à 90 degrés), alors le cos thêta terme est positif, auquel cas la relation entraînerait une négatif tension superficielle liquide-solide!

Cela signifie essentiellement que le liquide adhère aux parois du récipient et travailler pour maximiser la zone en contact avec la surface solide, afin de minimiser le potentiel global énergie.

Un autre effet lié à l'eau dans les tubes verticaux est la propriété de capillarité, dans laquelle la surface du liquide devient élevée ou déprimée à l'intérieur du tube par rapport au liquide environnant. Ceci est également lié à l'angle de contact observé.

Si vous avez un liquide dans un récipient et placez un tube étroit (ou capillaire) de rayon r dans le conteneur, le déplacement vertical y qui aura lieu à l'intérieur du capillaire est donnée par l'équation suivante:

y = (2 gamma_lg cos thêta) / ( dgr)

où

• y est le déplacement vertical (vers le haut si positif, vers le bas si négatif)
• gamma_lg est la tension superficielle liquide-gaz
• thêta est l'angle de contact
• ré est la densité du liquide
• g est l'accélération de la gravité
• r est le rayon du capillaire

REMARQUE: Encore une fois, si thêta est supérieure à 90 degrés (un ménisque convexe), entraînant une tension superficielle liquide-solide négative, le niveau de liquide diminuera par rapport au niveau environnant, par opposition à une augmentation par rapport à il.

La capillarité se manifeste de nombreuses façons dans le monde de tous les jours. Les serviettes en papier absorbent par capillarité. Lors de la combustion d'une bougie, la cire fondue remonte la mèche en raison de la capillarité. En biologie, bien que le sang soit pompé dans tout le corps, c'est ce processus qui distribue le sang dans les plus petits vaisseaux sanguins qui sont appelés, de manière appropriée, capillaires.

Matériaux nécessaires:

• 10 à 12 trimestres
• verre plein d'eau

Lentement et d'une main ferme, amenez les quartiers un par un au centre du verre. Placer le bord étroit du quartier dans l'eau et lâcher prise. (Cela minimise la perturbation de la surface et évite la formation d'ondes inutiles qui peuvent provoquer un débordement.)

Alors que vous continuez avec plus de quartiers, vous serez étonné de voir comment l'eau convexe devient sur le verre sans déborder!

Variante possible: Effectuez cette expérience avec des verres identiques, mais utilisez différents types de pièces dans chaque verre. Utilisez les résultats de combien peuvent entrer pour déterminer un rapport entre les volumes de différentes pièces.

Matériaux nécessaires:

• fourche (variante 1)
• morceau de papier de soie (variante 2)
• aiguille à coudre
• verre plein d'eau

Placez l'aiguille sur la fourchette, en l'abaissant doucement dans le verre d'eau. Retirez délicatement la fourche et il est possible de laisser l'aiguille flottant à la surface de l'eau.

Cette astuce nécessite une vraie main ferme et un peu de pratique, car vous devez retirer la fourchette de manière à ce que des parties de l'aiguille ne soient pas mouillées... ou l'aiguille volonté évier. Vous pouvez préalablement frotter l'aiguille entre vos doigts pour "huiler" cela augmentera vos chances de succès.

Variante 2 Trick

Placez l'aiguille à coudre sur un petit morceau de papier de soie (assez grand pour contenir l'aiguille). L'aiguille est placée sur le papier de soie. Le papier de soie sera imbibé d'eau et coulera au fond du verre, laissant l'aiguille flottant à la surface.

Matériaux nécessaires:

• bougie allumée (REMARQUE: Ne jouez pas avec des matchs sans l'approbation et la supervision des parents!)
• entonnoir
• solution détergente ou à bulles de savon

Placez votre pouce sur la petite extrémité de l'entonnoir. Amenez-le soigneusement vers la bougie. Retirez votre pouce et la tension superficielle de la bulle de savon la fera se contracter, forçant l'air à sortir à travers l'entonnoir. L'air expulsé par la bulle devrait être suffisant pour éteindre la bougie.

Pour une expérience quelque peu similaire, voir le Rocket Balloon.

Matériaux nécessaires:

• morceau de papier
• les ciseaux
• huile végétale ou détergent liquide pour lave-vaisselle
• un grand bol ou un moule à cake rempli d'eau

Une fois que vous avez découpé votre motif de poisson en papier, placez-le sur le réservoir d'eau afin qu'il flotte à la surface. Mettez une goutte d'huile ou de détergent dans le trou au milieu du poisson.

Le détergent ou l'huile entraînera la chute de la tension superficielle dans ce trou. Cela entraînera le poisson à se propulser vers l'avant, laissant une traînée d'huile pendant qu'il se déplace dans l'eau, sans s'arrêter jusqu'à ce que l'huile ait abaissé la tension de surface de l'ensemble du bol.

Le tableau ci-dessous montre les valeurs de tension superficielle obtenues pour différents liquides à différentes températures.

Valeurs expérimentales de tension superficielle

Édité par Anne Marie Helmenstine, Ph. D.