Comprensione della tensione superficiale
La tensione superficiale si verifica perché la superficie di un liquido tende a irrigidirsi, creando un aspetto simile a una sottile membrana. Questo fenomeno è influenzato dalle forze di coesione tra le molecole d'acqua. Per comprendere meglio questa spiegazione, consideriamo l'illustrazione seguente. Immaginiamo un liquido in un contenitore.
Le molecole di un liquido si attraggono reciprocamente. All'interno di un liquido, ogni molecola è circondata da altre molecole su entrambi i lati; ma sulla superficie del liquido, ci sono molecole solo ai lati e al di sotto. Non ci sono altre molecole di liquido sopra. Poiché le molecole di un liquido si attraggono a vicenda, la forza netta che agisce sulle molecole all'interno del liquido è pari a zero. Al contrario, le molecole di liquido sulla superficie sono attratte dalle molecole di liquido ai lati e al di sotto. Di conseguenza, sulla superficie del liquido si genera una forza netta diretta verso il basso. A causa di questa forza netta verso il basso, il liquido in superficie tende a ridurre la propria area superficiale, contraendosi il più possibile.
Ciò fa sì che lo strato di liquido sulla superficie appaia come se fosse ricoperto da una sottile membrana elastica.
Quando la clip viene posizionata con cura sulla superficie dell'acqua, le molecole d'acqua situate sulla superficie vengono in qualche modo premute da gravità la clip, in modo che le molecole d'acqua situate sotto forniscano una forza di richiamo verso l'alto per sostenere la clip (ricorda ancora elasticità e legge di Hooke).
In realtà, le graffette non sono l'unica cosa che si può usare; si possono usare anche altri oggetti come gli aghi. Se si posiziona con attenzione un ago sulla superficie dell'acqua, galleggia. Questo è anche il motivo per cui gli insetti riescono a galleggiare sull'acqua.
Equazione della tensione superficiale
Per ricavare l'equazione della tensione superficiale, consideriamo un filo piegato a forma di U. Un altro filo rettilineo è fissato alle due estremità del filo a U, consentendo al filo rettilineo di muoversi.
Se questo filo viene immerso in una soluzione saponata, una volta rimosso si formerà uno strato di acqua saponata sulla sua superficie. Simile a quando si gioca con le bolle di sapone. Poiché il filo rettilineo può essere spostato e la sua massa non è eccessiva, lo strato di acqua saponata eserciterà una forza di tensione superficiale sul filo, spingendolo verso l'alto (si noti la direzione della freccia). Per impedire al filo di muoversi (il filo è in equilibrio), è necessaria una forza totale diretta verso il basso, la cui intensità è F = w + T. In equilibrio, F = la forza esercitata dallo strato di acqua saponata sul filo rettilineo.
Supponiamo che la lunghezza di un filo rettilineo sia l. Poiché lo strato di acqua saponata che tocca il filo rettilineo ha due superfici, la forza generata dallo strato di acqua saponata agisce lungo una lunghezza di 2l. La tensione superficiale sullo strato di sapone è il rapporto tra la forza (F) e la lunghezza della superficie su cui agisce la forza (d). In questo caso, la lunghezza della superficie è 2l. Matematicamente, si scrive:
Poiché la tensione superficiale è il rapporto tra la forza e l'unità di lunghezza, le unità di misura sono il Newton per metro (N/m) o la dina per centimetro (dyn/cm).
Di seguito sono riportati alcuni valori di tensione superficiale ottenuti sperimentalmente.
In base ai dati sopra riportati, sembra che la temperatura influenzi la tensione superficiale di un fluido. In generale, all'aumentare della temperatura, il valore diminuisce. Questo perché, con l'aumento della temperatura, le molecole del liquido si muovono più velocemente, riducendo l'interazione tra di esse. Di conseguenza, anche il valore della tensione superficiale diminuisce.
Applicazione nella vita quotidiana
Vi siete mai chiesti perché laviamo i vestiti con il sapone? Il problema è che, per ottenere vestiti veramente puliti, l'acqua deve passare attraverso spazi molto stretti tra le fibre. Ciò richiede di aumentare la superficie di contatto dell'acqua. Questo è molto difficile da ottenere a causa della tensione superficiale. Che ci piaccia o no, la tensione superficiale dell'acqua deve prima essere abbassata. Possiamo abbassare la tensione superficiale usando acqua calda. Più alta è la temperatura dell'acqua, meglio è, poiché più alta è la temperatura dell'acqua, minore è la tensione superficiale (vedi tabella). Questa è la prima alternativa ed è usata raramente, tranne che da chi ama giocare con l'acqua calda. Un'altra alternativa è usare il sapone.
A una temperatura di 20 oC, il valore della tensione superficiale dell'acqua saponata è 25,00 mN/m. Prova a confrontare l'acqua saponata e l'acqua calda, quale ha il valore più basso? A 100 oC, il valore della tensione superficiale dell'acqua calda = 58,90. Ad una temperatura di 20 oC, la tensione superficiale dell'acqua saponata è di 25,00 mN/m. Usare il sapone è più vantaggioso... inoltre l'acqua non è calda. Ci sono altri fattori che influenzano l'efficacia con cui i nostri vestiti o il nostro corpo possono essere puliti con il sapone. Quindi, quanto sopra è solo uno dei fattori.
Perché le bolle di sapone o d'acqua sono rotonde?
Le bolle di sapone, o goccioline d'acqua, hanno una forma sferica a causa della tensione superficiale. Analizziamo innanzitutto le bolle di sapone. Le bolle di sapone presentano due sottili membrane sulla loro superficie, con un sottile strato d'acqua tra di esse.
La tensione superficiale provoca la contrazione della membrana, tendendo a ridurne la superficie. Quando la membrana di acqua saponata si contrae e cerca di ridurre la sua superficie, si crea una differenza di pressione dell'aria tra l'esterno della membrana (pressione atmosferica) e l'interno della membrana. La pressione dell'aria esterna alla membrana (pressione atmosferica) spinge anche la membrana di acqua saponata durante la contrazione, poiché la pressione dell'aria all'interno della membrana è inferiore.
Dopo la contrazione della membrana, anche l'aria al suo interno (l'aria intrappolata tra le due membrane) viene compressa, aumentando la pressione dell'aria all'interno della membrana fino all'arresto della contrazione. In altre parole, quando la contrazione si arresta, la pressione dell'aria tra le membrane è pari alla pressione atmosferica più la forza di tensione superficiale che provoca la contrazione delle membrane.
E che dire delle gocce di rugiada o delle gocce d'acqua che escono da un rubinetto? Sono essenzialmente la stessa cosa, poiché la causa principale è la tensione superficiale. Mentre una bolla di sapone ha due sottili membrane sulle sue due superfici, una goccia d'acqua ne ha solo una, all'esterno. L'interno è pieno d'acqua. La parte esterna della goccia viene attratta verso l'interno. Di conseguenza, l'acqua si contrae, tendendo a ridurre la sua superficie. Anche la pressione atmosferica esterna contribuisce a comprimere la goccia d'acqua. La contrazione si arresta quando la pressione all'interno dell'acqua è uguale alla pressione atmosferica più la forza che contrae la membrana dell'acqua.
