Comprensió de la tensió superficial
La tensió superficial es produeix perquè la superfície d'un líquid tendeix a endurir-se, creant un aspecte semblant a una membrana fina. Això està influenciat per les forces de cohesió entre les molècules d'aigua. Per entendre millor aquesta explicació, considereu la il·lustració següent. Considerem un líquid en un recipient.
Les molècules líquides normalment s'atrauen entre si. Dins d'un líquid, cada molècula líquida està envoltada d'altres molècules a cada costat; però a la superfície del líquid, només hi ha molècules líquides als costats i a sota. No hi ha altres molècules líquides a sobre. Com que les molècules líquides s'atrauen entre si, hi ha una força neta zero sobre les molècules de l'interior del líquid. Per contra, les molècules líquides a la superfície són atretes per les molècules líquides als costats i a sota. Com a resultat, hi ha una força neta a la superfície del líquid que es dirigeix cap avall. A causa d'aquesta força neta cap avall, el líquid a la superfície tendeix a reduir la seva superfície, reduint-se tant com sigui possible.
Això fa que la capa de líquid a la superfície sembli com si estigués coberta per una fina membrana elàstica.
Quan el clip es col·loca amb cura sobre la superfície de l'aigua, les molècules d'aigua situades a la superfície són pressionades una mica per gravetat el clip, de manera que les molècules d'aigua situades a sota proporcionen una força de restauració cap amunt per suportar el clip (recordeu de nou elasticitat i llei de Hooke).
En realitat, els clips no són l'única cosa que pots fer servir; també poden ser altres objectes com ara agulles. Si col·loques amb cura una agulla a la superfície de l'aigua, surarà. Aquesta és també la raó per la qual els insectes poden surar a l'aigua.
Equació de la tensió superficial
Per ajudar-nos a derivar l'equació de la tensió superficial, considerem un cable doblegat en forma d'U. Un altre cable recte està unit a les dues potes del cable en U, on es pot moure el cable recte.
Si aquest cable es submergeix en una solució de sabó, després de treure'l es formarà una capa d'aigua sabonosa a la superfície del cable. De manera similar a quan es juga amb bombolles de sabó. Com que el cable recte es pot moure i la seva massa no és massa gran, la capa d'aigua sabonosa proporcionarà una força de tensió superficial sobre el cable recte de manera que el cable recte es mogui cap amunt (observeu la direcció de la fletxa). Per evitar que el cable recte es mogui (el cable està en equilibri), cal una força total dirigida cap avall, on la magnitud de la força total és F = w + T. En equilibri, F = la força exercida per la capa d'aigua sabonosa sobre el cable recte.
Suposem que la longitud d'un cable recte és l. Com que la capa d'aigua sabonosa que toca el cable recte té dues superfícies, la força generada per la capa d'aigua sabonosa actua al llarg d'una longitud de 2l. La tensió superficial sobre la capa de sabó és la relació entre la Força (F) i la longitud de la superfície sobre la qual actua la força (d). Per a aquest cas, la longitud de la superfície és 2l. Matemàticament, s'escriu:
Com que la tensió superficial és la relació entre la força i la unitat de longitud, les unitats són Newton per metre (N/m) o dina per centímetre (dyn/cm).
Els següents són alguns valors de tensió superficial obtinguts a partir d'experiments.
Segons les dades anteriors, sembla que la temperatura afecta la tensió superficial d'un fluid. Generalment, a mesura que augmenta la temperatura, el valor disminueix. Això és degut a que a mesura que augmenta la temperatura, les molècules de líquid es mouen més ràpid, reduint la interacció entre les molècules de líquid. En conseqüència, el valor de la tensió superficial també disminueix.
Aplicació a la vida quotidiana
Us heu preguntat mai per què rentem la roba amb sabó? El problema és que, per aconseguir roba realment neta, l'aigua ha de passar a través d'espais molt estrets a les fibres. Això requereix augmentar la superfície de l'aigua. Això és molt difícil d'aconseguir a causa de la tensió superficial. Ens agradi o no, primer cal baixar la tensió superficial de l'aigua. Podem baixar la tensió superficial utilitzant aigua calenta. Com més alta sigui la temperatura de l'aigua, millor, ja que com més alta sigui la temperatura de l'aigua, més baixa serà la tensió superficial (vegeu la taula). Aquesta és la primera alternativa i s'utilitza poques vegades, excepte per a aquells a qui els agrada jugar amb aigua calenta. Una altra alternativa és utilitzar sabó.
A una temperatura de 20 oC, el valor de la tensió superficial de l'aigua sabonosa és de 25,00 mN/m. Intenta comparar l'aigua sabonosa i l'aigua calenta, quina té el valor més petit? A 100 oC, el valor de la tensió superficial de l'aigua calenta = 58,90. A una temperatura de 20 oC, la tensió superficial de l'aigua sabonosa és de 25,00 mN/m. L'ús de sabó és més avantatjós... l'aigua tampoc està calenta. Hi ha altres factors que influeixen en la capacitat de netejar la nostra roba o el nostre cos amb sabó. Per tant, l'anterior és només un factor.
Per què les bombolles de sabó o d'aigua són rodones?
Les bombolles de sabó, o gotes d'aigua, tenen forma esfèrica a causa de la tensió superficial. Primer parlem de les bombolles de sabó. Les bombolles de sabó tenen dues membranes primes a la superfície, amb una fina capa d'aigua entre elles.
La tensió superficial fa que la membrana es contragui, tendint a reduir la seva superfície. Quan la membrana d'aigua sabonosa es contrau i intenta reduir la seva superfície, sorgeix una diferència de pressió d'aire entre l'exterior de la membrana (pressió atmosfèrica) i l'interior de la membrana. La pressió d'aire exterior de la membrana (pressió atmosfèrica) també empeny la membrana d'aigua sabonosa a mesura que es contrau, perquè la pressió d'aire dins de la membrana és més baixa.
Després que la membrana es contragui, l'aire de l'interior (l'aire atrapat entre les dues membranes) també es comprimeix, augmentant la pressió de l'aire dins de la membrana fins que la contracció s'atura. En altres paraules, quan la contracció s'atura, la pressió de l'aire entre les membranes és igual a la pressió atmosfèrica + la força de tensió superficial que contrau les membranes.
I què passa amb les gotes de rosada o les gotes d'aigua que surten d'una aixeta? Són essencialment el mateix, ja que la causa principal és la tensió superficial. Mentre que una bombolla de sabó té dues membranes primes a les seves dues superfícies, una gota d'aigua només té una membrana prima, a l'exterior de la gota. L'interior està ple d'aigua. L'exterior de la gota s'estira cap a dins. Com a resultat, l'aigua es contrau, tendint a reduir la seva superfície. La pressió atmosfèrica externa també ajuda a comprimir la gota d'aigua. La contracció s'atura quan la pressió a l'interior de l'aigua és igual a la pressió atmosfèrica més la força que contrau la membrana d'aigua.
