Tensió superficial

Eixemple de tensió superficial: una agulla d'acer sobre un líquit

La tensió superficial d'un líquit és la cantitat d'energia necessària per a aumentar la seua superfície per unitat d'àrea.^[1] Esta definició implica que el líquit presenta una resistència en aumentar la seua superfície, lo que en efecte permet a alguns insectes poder desplaçar-se per la superfície de l'aigua sense afonar-se. La tensió superficial és una manifestació de les forces intermoleculars en els líquits, junt a les forces que es donen entre els líquits i les superfícies sòlides que entren en contacte en ells, dona lloc a la capilaridad. Com a efecte té l'elevació o depressió de la superfície d'un líquit en la zona de contacte en un sòlit.

Una atra possible definició de tensió superficial: és la força que actua tangencialmente per unitat de llongitut en la vora d'una superfície lliure d'un líquit en equilibri i que tendix a contraure dita superfície. Les forces cohesivas entre les molècules d'un líquit són les responsables del fenomen conegut com a tensió superficial.

En les interfases líquit-aire, la tensió superficial resulta de la major atracció de les molècules del líquit entre sí (per la cohesió) que cap a les molècules de l'aire (per l'adheriment).^[2]

Hi ha dos mecanismes principals en joc. Un és una força cap a dins sobre les molècules superficials que fa que el líquit es contraga.^[3]^[4] La segona és una força tangencial paralela a la superfície del líquit.^[4] Esta força tangencial es coneix generalment com a tensió superficial. L'efecte net és que el líquit es comporta com si la seua superfície estiguera coberta per una membrana elàstica estirada. Pero esta analogia no deu dur-se massa llunt, ya que la tensió en una membrana elàstica depén de la cantitat de deformació de la membrana, mentres que la tensió superficial és una propietat inherent a l'interfaç líquit-aire o líquit-vapor.^[5]

Per l'atracció relativament alta de les molècules d'aigua entre sí a través d'una ret d'enllaços d'hidrogens, l'aigua té una tensió superficial més alta (72,8 milinewtons (mN) per metro a 20 °C) que la majoria dels atres líquits. La tensió superficial és un factor important en el fenomen de capilaridad.

La tensió superficial té la dimensió de força per unitat de llongitut, o d'energia per unitat d'àrea.^[5] Les dos són equivalents, pero en referir-se a l'energia per unitat d'àrea, és comuna utilisar el terme energia superficial, que és un terme més general en el sentit de que s'aplica també als sòlits.

En ciència dels materials, la tensió superficial s'utilisa tant per a tensió superficial com para energia superficial.

Causa

Archiu:Paper Clip Surface Tension 1 edit.jpg

Este clip està baix del nivell del aigua, que ha aumentat llaugerament. La tensió superficial evita que el clip se sumergixca i que el got rebosar.

La tensió superficial es deu a que les forças que afecten a cada molècula són diferents en l'interior del líquit i en la superfície. Aixina, en el sí d'un líquit cada molècula està somesa a forces d'atracció que en promig s'anulen. Açò permet que la molècula tinga una energia prou baixa. No obstant, en la superfície hi ha una força neta cap a l'interior del líquit. Rigorosament, si en l'exterior del líquit es té un gas, existirà una mínima força atractiva cap a l'exterior, encara que en la realitat esta força és despreciable per la gran diferència de densitatés entre el líquit i gas.

Una atra manera de vore-ho és que una molècula en contacte en la seua veïna està en un estat menor d'energia que si no estiguera en contacte en dita veïna. Les molècules interiors tenen totes les molècules veïnes que podrien tindre, pero les partícules del contorn tenen menys partícules veïnes que les interiors i per això tenen un estat més alt d'energia. Per al líquit, el disminuir el seu estat energètic és minimisar el número de partícules en la seua superfície.^[6]

Archiu:WassermoleküleInTröpfchen.svg

Diagrama de forces entre dos molècules d'un líquit.

Energèticament, les molècules situades en la superfície tenen una major energia promig que les situades en l'interior, per lo tant la tendència del sistema serà disminuir l'energia total, i això es conseguix disminuint el número de molècules situades en la superfície, d'ahí la reducció d'àrea fins al mínim possible.

Com a resultat de minimisar la superfície, esta assumirà la forma més suau que puga ya que està provat matemàticament que les superfícies minimisen l'àrea per l'equació de Euler-Lagrange. D'esta forma el líquit intentarà reduir qualsevol curvatura en la seua superfície per a disminuir el seu estat d'energia de la mateixa forma que una pilota cau al sol per a disminuir el seu potencial gravitacional.

Simbologia


Símbol	Nom	Unitat
$γ$	Tensió superficial	mN / m²
	Creiximent d'àrea superficial
$F$	Força
$L$	Llongitut
	Objectes flotants
$F_{s}$	Força per superfície
$F_{w}$	Força per pes
$g$	Acceleració de la gravetat
$m$	Massa
	Curvatura superficial i pressions
$Δ p$	Diferència de pressions (Pressió de Laplace)	N / m²
$R_{x}$	Radi de curvatura en l'eix x
$R_{y}$	Radi de curvatura en l'eix i
	Líquit en tubo vertical
$γ_{l a}$	Tensió superficial entre líquit i aire	mN / m
$ρ$	Densitat	kg / m³
$h$	Altura del líquit que és alçada
$r$	Radi de capilaridad
$θ$	Àngul de contacte
	Tolls en una superfície
$h_{p}$	Profunditat de toll
	Teories termodinàmiques de tensió superficial
$μ_{i}$	Potencial químic
$Ω$	Energia lliure	N m
$Ω_{s}$	Energia lliure de superfície	N m
$Δ P$	Diferència de pressions	N / m²
$p_{A}$	Pressió interior	N / m²
$p_{B}$	Pressió exterior	N / m²
$T$	Temperatura	K
$V$	Volum molar de la substància
	Termodinàmica de Bombetes
$A$	Àrea	m²
$R$	Radi	m
	Influència per Temperatura
$γ^{o}$	Tensió superficial constant per a cada substància	mN / m
$K_{2}$	Constant universal per als líquits
$k$	Constant vàlida para casi qualsevol substància
$n$	Factor empíric
$P_{c}$	Pressió crítica	N / m²
$T_{c}$	Temperatura crítica	K
	Influència per Concentració de solut
$Γ$	Concentració superficial	mol / m²
$C$	Concentració de la substància
	Influència per Tamany de partícula en pressió de vapor
$P_{V}^{o}$	Pressió de vapor estàndar	N / m²
$R$	Constant del gas
$r_{k}$	Radi Kelviin
	Aigua
$γ_{w}$	Tensió superficial de l'aigua	mN / m
$γ_{w s}$	Tensió superficial de l'aigua salada	mN / m
$S$	Salinitat de referència	g / kg
$t$	Temperatura	°C

Referències

↑ «Martínez U., Alejandro i Ricardo Ortega P.». Archivat des d'el original, el 29 de decembre de 2009. Consultat el 17 de juliol de 2009.
↑ «Tensió superficial - una visió general | ScienceDirect Topics».
↑ «Tensió superficial (Propietats de l'aigua) - USGS Water Science School». US Geological Survey.
↑ ^4,0 ^4,1 “com/2013/07/berry018.pdf El mecanisme molecular de la tensió superficial” . Physics Education 6 (2): 79-84. doi:10.1088/0031-9120/6/2/001. Bibcode: 1971PhyEd...6...79B.
↑ ^5,0 ^5,1 aneu=haZ-DwAAQBAJ Physics, Volume 2 (en en), John Wiley & Sons, pp. 342. ISBN 978-0-471-40194-0.
↑ White, Harvey E. (1948). Modern College Physics, van Nostrand. ISBN 0442294018.

Este artícul conté una traducció derivada de «Tensión superficial» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[1] «Martínez U., Alejandro i Ricardo Ortega P.». Archivat des d'el original, el 29 de decembre de 2009. Consultat el 17 de juliol de 2009.

[2] «Tensió superficial - una visió general | ScienceDirect Topics».

[usgs-3] «Tensió superficial (Propietats de l'aigua) - USGS Water Science School». US Geological Survey.

[berry-4] 4,0 ^4,1 “com/2013/07/berry018.pdf El mecanisme molecular de la tensió superficial” . Physics Education 6 (2): 79-84. doi:10.1088/0031-9120/6/2/001. Bibcode: 1971PhyEd...6...79B.

[:0-5] 5,0 ^5,1 aneu=haZ-DwAAQBAJ Physics, Volume 2 (en en), John Wiley & Sons, pp. 342. ISBN 978-0-471-40194-0.

[white-6] White, Harvey E. (1948). Modern College Physics, van Nostrand. ISBN 0442294018.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]