O que é tensão superficial? Definição e Experimentos

A tensão superficial é um fenômeno em que a superfície de um líquido, onde o líquido está em contato com um gás, atua como uma fina folha elástica. Esse termo geralmente é usado apenas quando a superfície do líquido está em contato com gás (como o ar). Se a superfície estiver entre dois líquidos (como água e óleo), isso será chamado de "tensão da interface".

Várias forças intermoleculares, como as forças de Van der Waals, atraem as partículas líquidas. Ao longo da superfície, as partículas são puxadas em direção ao restante do líquido, conforme mostrado na figura à direita.

Tensão superficial (denotada com a variável grega gama) é definida como a razão da força superficial F ao comprimento d ao longo do qual a força atua:

gama = F / d

Unidades de tensão superficial

A tensão superficial é medida em Unidades SI de N / m (newton por metro), embora a unidade mais comum seja a unidade cgs dyn / cm (dine por centímetro).

Para considerar a termodinâmica da situação, às vezes é útil considerá-la em termos de

Essas forças unem as partículas da superfície. Embora essa ligação seja fraca - afinal é muito fácil quebrar a superfície de um líquido - ela se manifesta de várias maneiras.

Gotas de água. Ao usar um conta-gotas, a água não flui em um fluxo contínuo, mas em uma série de gotas. A forma das gotas é causada pela tensão superficial da água. A única razão pela qual a gota de água não é completamente esférica é que a força da gravidade a puxa para baixo. Na ausência de gravidade, a queda minimizaria a área da superfície, a fim de minimizar a tensão, o que resultaria em uma forma perfeitamente esférica.

Insetos andando na água. Vários insetos são capazes de andar sobre a água, como o strider da água. Suas pernas são formadas para distribuir seu peso, fazendo com que a superfície do líquido fique deprimida, minimizando o potencial energia para criar um equilíbrio de forças para que o strider possa se mover através da superfície da água sem romper o superfície. O conceito é semelhante ao uso de raquetes de neve para atravessar montes de neve profundos sem que os pés afundem.

Agulha (ou clipe de papel) flutuando na água. Mesmo que a densidade desses objetos seja maior que a água, a tensão superficial ao longo da depressão é suficiente para neutralizar a força da gravidade que desce sobre o objeto metálico. Clique na imagem à direita e clique em "Avançar" para visualizar um diagrama de força dessa situação ou experimente o truque da Agulha Flutuante.

Ao soprar uma bolha de sabão, você cria uma bolha de ar pressurizada, contida em uma superfície fina e elástica do líquido. A maioria dos líquidos não consegue manter uma tensão superficial estável para criar uma bolha, razão pela qual o sabão é geralmente usado no processo... estabiliza a tensão superficial através de algo chamado efeito Marangoni.

Quando a bolha é soprada, o filme de superfície tende a se contrair. Isso faz com que a pressão dentro da bolha aumente. O tamanho da bolha se estabiliza em um tamanho em que o gás dentro da bolha não se contrai mais, pelo menos sem estourar a bolha.

De fato, existem duas interfaces de gás líquido em uma bolha de sabão - a do lado de dentro da bolha e a do lado de fora da bolha. Entre as duas superfícies é uma filme fino de líquido.

A forma esférica de uma bolha de sabão é causada pela minimização da área de superfície - para um determinado volume, uma esfera é sempre a forma que possui a menor área de superfície.

Para considerar a pressão dentro da bolha de sabão, consideramos o raio R da bolha e também a tensão superficial, gama, do líquido (sabão neste caso - cerca de 25 dyn / cm).

Começamos assumindo que não há pressão externa (o que, é claro, não é verdade, mas trataremos disso daqui a pouco). Você considera uma seção transversal no centro da bolha.

Ao longo desta seção transversal, ignorando a pequena diferença no raio interno e externo, sabemos que a circunferência será 2piR. Cada superfície interna e externa terá uma pressão de gama ao longo de todo o comprimento, portanto, o total. A força total da tensão superficial (do filme interno e externo) é, portanto, 2gama (2pi R).

Dentro da bolha, no entanto, temos uma pressão p que atua sobre toda a seção transversal pi R², resultando em uma força total de p(pi R²).

Como a bolha é estável, a soma dessas forças deve ser zero, para obtermos:

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

Obviamente, essa foi uma análise simplificada em que a pressão fora da bolha era 0, mas é facilmente expandida para obter a diferença entre a pressão interior p e a pressão exterior p_e:

p - p_e = 4 gama / R

Analisando uma gota de líquido, em oposição a uma bolha de sabão, é mais simples. Em vez de duas superfícies, há apenas a superfície externa a considerar, portanto, um fator de 2 cai a equação anterior (lembre-se de onde dobramos a tensão superficial para explicar duas superfícies?) para produção:

p - p_e = 2 gama / R

A tensão superficial ocorre durante uma interface gás-líquido, mas se essa interface entrar em contato com um superfície sólida - como as paredes de um contêiner - a interface geralmente se curva para cima ou para baixo perto superfície. Essa forma de superfície côncava ou convexa é conhecida como menisco

O ângulo de contato, teta, é determinado conforme mostrado na figura à direita.

O ângulo de contato pode ser usado para determinar uma relação entre a tensão superficial líquido-sólido e a tensão superficial líquido-gás, da seguinte maneira:

gama_ls = - gama_lg porque teta

Onde

• gama_ls é a tensão superficial líquido-sólido
• gama_lg é a tensão superficial do gás líquido
• teta é o ângulo de contato

Uma coisa a considerar nessa equação é que, nos casos em que o menisco é convexo (ou seja, o ângulo de contato é maior que 90 graus), o componente cosseno desta equação será negativo, o que significa que a tensão superficial líquido-sólido será positivo.

Se, por outro lado, o menisco é côncavo (ou seja, diminui, então o ângulo de contato é inferior a 90 graus), então o cos teta termo é positivo; nesse caso, o relacionamento resultaria em negativo tensão superficial líquido-sólido!

O que isto significa, essencialmente, é que o líquido está aderindo às paredes do recipiente e é trabalhando para maximizar a área em contato com a superfície sólida, de modo a minimizar o potencial geral energia.

Outro efeito relacionado à água em tubos verticais é a propriedade da capilaridade, na qual a superfície do líquido se torna elevada ou deprimida no interior do tubo em relação ao líquido circundante. Isso também está relacionado ao ângulo de contato observado.

Se você tiver um líquido em um recipiente e coloque um tubo estreito (ou capilar) de raio r no contêiner, o deslocamento vertical y que ocorrerá dentro do capilar é dada pela seguinte equação:

y = (2 gama_lg porque teta) / ( dgr)

Onde

• y é o deslocamento vertical (para cima, se positivo, para baixo, se negativo)
• gama_lg é a tensão superficial do gás líquido
• teta é o ângulo de contato
• d é a densidade do líquido
• g é a aceleração da gravidade
• r é o raio do capilar

NOTA: Mais uma vez, se teta é superior a 90 graus (um menisco convexo), resultando em uma tensão superficial líquida-sólida negativa, o nível do líquido diminuirá em comparação com o nível circundante, em vez de subir em relação ao isto.

A capilaridade se manifesta de várias maneiras no mundo cotidiano. Toalhas de papel absorvem através da capilaridade. Ao queimar uma vela, a cera derretida sobe o pavio devido à capilaridade. Na biologia, embora o sangue seja bombeado por todo o corpo, é esse processo que distribui o sangue nos menores vasos sanguíneos que são chamados, apropriadamente, capilares.

Materiais necessários:

• 10 a 12 quartos
• copo cheio de água

Lentamente, e com a mão firme, leve os quartos, um de cada vez, para o centro do copo. Coloque a borda estreita do quarto na água e solte. (Isso minimiza as perturbações na superfície e evita a formação de ondas desnecessárias que podem causar transbordamento.)

À medida que você avança com mais quartos, você ficará surpreso com o quão convexa a água fica em cima do copo sem transbordar!

Variante possível: Realize esse experimento com óculos idênticos, mas use tipos diferentes de moedas em cada copo. Use os resultados de quantos podem entrar para determinar uma proporção dos volumes de moedas diferentes.

Materiais necessários:

• garfo (variante 1)
• pedaço de papel de seda (variante 2)
• agulha de costura
• copo cheio de água

Coloque a agulha no garfo, baixando-a suavemente no copo de água. Puxe cuidadosamente o garfo para fora e é possível deixar a agulha flutuando na superfície da água.

Esse truque exige uma mão firme e prática, pois você deve remover o garfo de maneira que partes da agulha não se molhem... ou a agulha vai Pia. Você pode esfregar a agulha com os dedos antes de "lubrificar", aumentando suas chances de sucesso.

Truque da variante 2

Coloque a agulha de costura em um pequeno pedaço de papel de seda (grande o suficiente para segurar a agulha). A agulha é colocada no lenço de papel. O papel de seda ficará embebido em água e afundará no fundo do copo, deixando a agulha flutuando na superfície.

Materiais necessários:

• vela acesa (NOTA: Não brinque com partidas sem a aprovação e supervisão dos pais!)
• funil
• solução detergente ou bolha de sabão

Coloque o polegar sobre a extremidade pequena do funil. Traga-o com cuidado em direção à vela. Remova o polegar e a tensão superficial da bolha de sabão fará com que ela se contraia, forçando a saída de ar através do funil. O ar expelido pela bolha deve ser suficiente para apagar a vela.

Para um experimento um pouco relacionado, veja o Rocket Balloon.

Materiais necessários:

• pedaço de papel
• tesouras
• detergente para máquina de lavar louça de óleo vegetal ou líquido
• uma tigela grande ou uma forma de bolo cheia de água

Depois de cortar o padrão Paper Fish, coloque-o no recipiente de água para que flutue na superfície. Coloque uma gota de óleo ou detergente no buraco no meio do peixe.

O detergente ou óleo fará com que a tensão superficial nesse orifício diminua. Isso fará com que o peixe se mova para a frente, deixando um rastro de óleo enquanto se move pela água, sem parar até que o óleo diminua a tensão superficial de toda a tigela.

A tabela abaixo demonstra os valores de tensão superficial obtidos para diferentes líquidos a várias temperaturas.

Valores experimentais da tensão superficial

Editado por Anne Marie Helmenstine, Ph. D.