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A tensão superficial é um fenômeno físico-químico relacionado às interações moleculares de um fluido . Resulta do aumento de energia na interface entre dois fluidos. O sistema tende a um equilíbrio que corresponde à configuração de menor energia, portanto modifica sua geometria para diminuir a área desta interface. A força que mantém o sistema nesta configuração é a tensão superficial. Uma consequência é que, para aumentar a área da interface, deve-se aplicar força suficiente, caso contrário o sistema permanece em sua configuração mínima de superfície. Esse efeito permite, por exemplo, que certos insetos andem sobre a água, um objeto leve para ficar na superfície de um líquido, que o orvalho não se espalhe nas pétalas das flores e explica a capilaridade . Descrição
Na superfície de um meio denso (líquido ou sólido) ou na interface entre dois meios densos, a matéria não está, localmente, estritamente no mesmo estado que em um meio denso: as moléculas presentes nas interfaces 'interagem com as do outro médio, enquanto aqueles localizados na matéria interagem apenas com seus pares. A interação entre os dois meios produz uma certa instabilidade (em comparação com o interior): o estado local na interface tem uma energia ligeiramente superior. Uma certa energia por unidade de área (expressa em joules por metro quadrado - J / m 2 ) está, portanto, associada à superfície ou interface , cuja origem é a força de coesão entre moléculas idênticas. Um ponto de vista equivalente é que existe, nas proximidades da superfície ou interface, uma certa tensão de tensão no meio; é uma força por unidade de comprimento, expressa em N / m. Portanto, falamos indiferentemente de energia ou tensão (uma vez que J / m 2 = N / m ). É costume, para a interface entre dois meios densos, falar de tensão interfacial, energia interfacial ou energia de interface. Entre um meio denso e um gás, freqüentemente falamos de tensão superficial, tensão superficial ou energia superficial. Este efeito permite, por exemplo, que insetos andem sobre a água, um objeto leve para ficar na superfície de um líquido (ilustração ao lado), que o orvalho não se espalhe nas pétalas da flor e explica a capilaridade . A tensão superficial também explica a formação de bolhas de sabão e a coalescência de gotas ou bolhas. Exemplos e experimentos simplesO fenômeno da tensão superficial é explorado naturalmente pelos insetos para permanecer na superfície da água. Um certo número de experimentos simples torna possível demonstrar a tensão superficial. Como pode ser visto na foto acima, a parte que normalmente, dada a densidade do alumínio, deveria cair para o fundo do vidro permanece na superfície do líquido. Outra experiência pode ser realizada com um clipe de papel colocado delicadamente na superfície da água. Forma de quedaNo caso de uma gota de um líquido A dentro de um fluido B , a energia é mínima quando a superfície é mínima. No entanto, a forma correspondente à menor superfície possível envolvendo um determinado volume é uma esfera. É por isso que as gotas de água têm uma forma esférica. Na realidade, a gravidade também desempenha um papel na determinação da forma da gota. Veja o artigo sobre gotas . Coalescência de duas gotas
Se duas gotas entrarem em contato, elas podem se fundir e assim formar uma única gota ( coalescência ), novamente para minimizar a energia total, produto da tensão superficial pela superfície total. Na verdade, a superfície total do líquido é assim reduzida. Exemplo de cálculo para duas gotas do mesmo raio : R{\ displaystyle R}
As gotas podem se separar trazendo energia (na forma cinética) para parte do líquido para neutralizar a tensão superficial. Essa energia pode ser fornecida por uma diferença de temperatura local, que modifica localmente a pressão hidrostática e produz uma expansão local de parte do líquido, se essa expansão for mais rápida que a propagação da temperatura por condutividade térmica. Menisco de água em um copoQuando você coloca água em um copo, ela sobe cerca de um milímetro, ao longo da parede, adotando uma forma côncava; isto é particularmente visível no caso de um tubo de ensaio (cerca de 1 cm de diâmetro). Isso é chamado de menisco . Por outro lado, é possível fazer com que a superfície da água se projete da borda do vidro sem que ela flua para fora dele; a superfície da água adota uma forma convexa. Queda que trava sem cairÉ a tensão superficial que mantém a gota no suporte; a massa da gota que cai de um conta-gotas é dada pela lei de Tate . Ação da tensão superficial em um fio flexível
Propulsão a óleo ou sabão
Você não pode repetir a experiência sem trocar a água no recipiente, porque uma gota de detergente líquido diminui tanto a tensão superficial que uma segunda gota não pode reduzi-la suficientemente. Fonte de RefrigerenteEm um refrigerante , as moléculas de dióxido de carbono dissolvidas são solvatadas , as moléculas de água formam um escudo em torno do CO 2 ; sacudir a garrafa supera a tensão superficial do escudo e as moléculas de CO 2agrupe-se para formar bolhas; ou então usando um pó, os pequenos grãos baixam a tensão superficial, é possível por exemplo colocar goma de mascar (obtém-se assim o efeito géiser da mistura Mentos-gaseificada ). Caso de gerrisOs gerris (ou insetos aquáticos) são insetos que têm a capacidade de andar sobre a água devido à tensão superficial. Os gerris medem cerca de 15 mm, portanto podemos estimar o comprimento da parte das pernas em contato com a água em mm. O diâmetro das pernas (incluindo pelos hidrofóbicos) pode ser considerado insignificante em comparação com seu comprimento. A massa de um gerris é de cerca de 80 mg. eu=3{\ displaystyle l = 3} A força de reação da água nas patas do animal pode ser estimada por meio da tensão superficial, estimando o comprimento da linha tripla de contato entre as patas, o ar e a água. Temos 4 longas pernas hidrofóbicas, com contato em ambos os lados. Isso leva a uma força (tomada )γ≃70mNÃO/m{\ displaystyle \ gamma \ simeq 70 \; \ mathrm {mN / m}}
F=8γeu≃8⋅3,10-3⋅70,10-3≃1,7mNÃO{\ displaystyle F = 8 \ gamma l \ simeq 8 \ cdot 3.10 ^ {- 3} \ cdot 70.10 ^ {- 3} \ simeq 1,7 \, \ mathrm {mN}} para comparar com o peso do inseto
P=mg≃80,10-6⋅10≃0,8mNÃO.{\ displaystyle P = mg \ simeq 80.10 ^ {- 6} \ cdot 10 \ simeq 0.8 \, \ mathrm {mN}.} Portanto, entendemos por que esse animal pode se mover sobre a água. No entanto, vemos que se a água estiver poluída por surfactantes e a tensão superficial cair para 20 mN / m, o inseto afunda. É isso que torna a presença desse inseto um bom indicador do nível de poluição de um curso d'água. Outros fenômenos
Medição de tensão superficialConhecer a tensão superficial de um material é essencial na indústria. Na verdade, quanto mais alto for, mais o material poderá ser impresso ou colado, por exemplo. Pelo contrário, quanto mais o material tiver baixo nível de tensão superficial, mais servirá como filtro ( hidrofóbico ou mesmo oleofóbico ). A noção de tensão superficial é onipresente, principalmente nas indústrias de plásticos, cerâmica e metal.
Definição
A tensão superficial é definida a partir da força que deve ser exercida para aumentar a área superficial de um sistema. Suponha que tomemos um recipiente contendo um fluido, em sua superfície temos uma moldura retangular composta por três paredes fixas e um móvel. Uma força tangencial é então aplicada à superfície para aumentar a área limitada pela moldura. Pode-se observar que, para um determinado fluido, a intensidade da força é diretamente proporcional ao comprimento . A intensidade desta força pode, portanto, ser escrita: F→{\ displaystyle {\ vec {F}}}eu{\ displaystyle L} F=2 γ eu{\ displaystyle F = 2 \ \ gamma \ L} O coeficiente 2 está relacionado ao fato da interface ter dois lados. é a tensão superficial, é expressa em N / me depende apenas do fluido considerado. A medição desta força é, portanto, um primeiro meio de determinação . γ{\ displaystyle \ gamma}γ{\ displaystyle \ gamma}
Se considerarmos uma superfície plana livre, o equilíbrio das forças de tensão superficial na circunferência da superfície é zero. No caso de a superfície ser curva:
A força resultante depende dos raios de curvatura da superfície e ao longo dos dois eixos ortogonais e . esta força é contrabalançada por uma pressão que chamamos de pressão de Laplace :F{\ displaystyle F}Rx{\ displaystyle R_ {x}}Ry{\ displaystyle R_ {y}}Ox{\ displaystyle Ox}Oy{\ displaystyle Oy}ΔP=γ(1Rx+1Ry){\ displaystyle \ Delta P = \ gamma \ left ({\ frac {1} {R_ {x}}} + {\ frac {1} {R_ {y}}} \ right)} A determinação desta diferença de pressão entre os dois lados da interface é, portanto, um segundo meio de determinar a tensão superficial. Métodos de mediçãoMedição de forma
Medição de massaO método de queda de peso envolve a pesagem de uma gota que cai de um capilar de raio conhecido. Como uma primeira aproximação, as forças que atuam sobre a queda são o seu peso e a força devida à tensão superficial no nível capilar . Apenas quando a gota se desprende, o peso da gota é igual às forças capilares . Encontramos a lei de Tate , r{\ displaystyle r}P=mg{\ displaystyle P = mg}γ{\ displaystyle \ gamma}F=2πrγ{\ displaystyle F = 2 \ pi r \ gamma}P=F{\ displaystyle P = F} m=2πrγg{\ displaystyle m = {\ frac {2 \ pi r \ gamma} {g}}}.Conhecendo a massa da gota, podemos voltar à tensão superficial . m{\ displaystyle m}γ{\ displaystyle \ gamma} Medição de forçaAs medições de força empregam métodos de arrancamento ou métodos de esticar filmes líquidos por uma lâmina, compasso ou anel. É o caso dos métodos da placa Wilhelmy e do anel du Nouy . Uma placa ou um anel é puxado para fora do líquido durante a medição da força exercida. Notamos o valor da força imediatamente antes do descolamento do menisco . Dividimos a força assim obtida pela largura da placa ou pelo perímetro do anel, e obtemos o valor do módulo de tensão superficial um fator trigonométrico. Medição de pressãoA medição de pressão envolve um método de pressão de bolha máxima: a pressão é medida em bolhas que são ejetadas de um capilar submerso em um líquido. Na pressão máxima, uma relação simples pode ser usada para calcular a tensão superficial entre o líquido e o ar. Valores tipicos
Os seguintes valores são retirados do Folheto de mecânica dos fluidos de Henri Broch : Fonte: Flow Science inc.
MecanismoInterface líquido / gásDentro de um fluido ( líquido ou gás ), as moléculas exercem forças de atração ou repulsão entre si: força de Van der Waals (atração), força eletrostática (atração ou repulsão, ligação de hidrogênio ). O potencial de interação gerado por essas forças intermoleculares contribui para reduzir a energia do fluido e, portanto, para estabilizá-lo. Por exemplo, no caso da água, são as ligações de hidrogênio que dão à água sua força coesiva. A diferença importante entre um gás e um líquido é que a densidade do primeiro é mil vezes menor que a do segundo, portanto as moléculas estão muito mais distantes umas das outras e o ganho de energia gerado pelas forças intermoleculares é muito mais fraco (o caso limite é o modelo de gás ideal no qual as moléculas não têm interações).
Um corpo líquido puro e homogêneo em repouso forma uma fase . Dentro desse líquido, cada molécula gera forças de interação em todas as direções de maneira totalmente isotrópica com as moléculas vizinhas: a resultante dessas forças é, portanto, zero. Se nos colocarmos na interface entre um líquido e um gás, a energia devida às forças de atração entre as moléculas do líquido e as do gás é desprezível porque o gás tem uma densidade muito menor do que o líquido, as interações intermoleculares entre as moléculas do líquido são, portanto, muito mais fortes do que as interações entre as moléculas do líquido e as do gás . Assim, em um líquido, nem todas as moléculas têm a possibilidade de fazer o mesmo número de ligações com outras moléculas do líquido. As moléculas dentro do líquido geram interações em todas as direções enquanto as moléculas da superfície, expostas ao gás, apenas se ligam às moléculas do líquido localizadas próximas à superfície ou abaixo delas no líquido. A resultante das forças para as moléculas da superfície é, portanto, direcionada para o interior do líquido. Essa força é contrabalançada por uma pressão no líquido maior do que no gás. Do ponto de vista energético, duas moléculas interagindo diminuem a energia do fluido localmente. As moléculas na superfície do líquido têm menos oportunidade de reduzir sua energia por meio de ligações do que as moléculas no centro do líquido. A superfície do líquido é, portanto, uma zona mais energética do que o interior. Como todo sistema busca ter um mínimo de energia, esta superfície é reduzida ao mínimo. Na ausência de peso , o líquido forma uma esfera , que oferece uma área superficial mínima em volume constante. Na Terra, sob o efeito da gravidade , o líquido forma uma gota e, dependendo de sua afinidade com a superfície sobre a qual é colocado, espalha-se mais ou menos formando uma cúpula, um pouco achatada pela gravidade. A diferença de energia, portanto, gera forças que permitem manter o fluido em uma dada configuração geométrica, são as forças capilares tangentes à superfície. Se considerarmos uma parte de uma superfície, essa força é exercida sobre o contorno da superfície e a mantém em uma determinada posição. Esta força é, portanto, expressa pela equação , considerando-se a tensão superficial e o comprimento do contorno. df=γdeu{\ displaystyle {\ text {d}} f = \ gamma \, {\ text {d}} l}γ{\ displaystyle \ gamma}deu{\ displaystyle {\ text {d}} l} Penetrar no fluido requer, portanto, uma certa energia, o que explica o fato de que insetos (como gerrids ) ou objetos leves (clipes de papel) podem ser colocados na superfície da água sem que afundem, e que 'podemos derramar água em um copo, até que o nível da água ultrapasse as bordas do copo, sem que ele escorra. No vácuo, assistimos ao mesmo fenômeno: parte do líquido evapora (veja o artigo Pressão de vapor saturante ). Assim, a camada de gás de baixa pressão que envolve a superfície do líquido desempenha o mesmo papel. No caso particular de uma bolha , o líquido apresenta-se sob a forma de uma película muito fina, submetida a uma pressão do gás interno um pouco mais elevada do que no exterior. Se as forças de atração dentro do líquido forem fracas, o filme não se manterá. Por outro lado, se essas forças forem fortes, o filme se mantém bem e tem um comportamento elástico (bolha de sabão). Interface líquido / líquidoQuando dois líquidos A e B são miscíveis, eles formam uma única fase . Por outro lado, se são imiscíveis, formam duas fases distintas.
Se são imiscíveis, é porque as moléculas se repelem. As moléculas localizadas na interface estão, portanto, sujeitas a:
Portanto, pode-se ver que a resultante das forças está localizada para o interior de cada um dos líquidos em todos os casos. A forma da interface é, portanto, determinada por
É o caso da água e do óleo , tempero :
Linha tripla: contato sólido - líquido - vaporMuitas vezes estamos na presença da linha onde se juntam três interfaces, na junção de três fases, por exemplo sólido / líquido / gás. Essa junção é chamada de linha tripla. No caso em que uma das fases é sólida, esse fenômeno é chamado de umedecimento e o ângulo de contato é chamado de ângulo entre a interface fluido / fluido e a superfície sólida. Este ângulo de contato é dado pela lei de Young-Dupré . Uma linha tripla é comumente vista, por exemplo, nas seguintes situações:
As interações líquido / gás foram descritas acima. Da mesma forma, as moléculas no líquido podem ser atraídas ou repelidas por moléculas no sólido. A forma da interface no ponto triplo será, portanto, determinada por:
Se houver atração entre o líquido e o sólido:
Se houver repulsão entre o líquido e o sólido:
Os compostos permitem diminuir a tensão superficial, são surfactantes . ModelizaçãoA tensão superficial é medida em newtons por metro ( N m −1 ). É definida como a força que deve ser aplicada por unidade de comprimento ao longo de uma linha perpendicular à superfície de um líquido em equilíbrio para causar a extensão dessa superfície, ou como o trabalho exercido por essa força por unidade de superfície. A unidade de tensão superficial ( N m −1 ) é equivalente a joules por metro quadrado ( J m −2 ), o que corresponde a uma unidade de energia superficial. Podemos definir essa energia de interface como sendo o excedente de energia química em comparação ao caso em que essas moléculas se encontram no interior do líquido e não em sua superfície. O sistema tende a minimizar a energia superficial. Notas e referências
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