Você já brincou de bolhas de sabão? Bolhas de sabão redondas. Divertido. Dá para soprar. Depois de voar, as bolhas estouram. Uau, é divertido, uma brincadeira de infância. Por que as bolhas de sabão são redondas?
Por favor, acorde pela manhã e observe as folhas ao redor da casa. Observe as gotas de orvalho presas às folhas. É estranho; as gotas de orvalho são redondas. Como isso é possível?
A tensão superficial ocorre porque a superfície do líquido tende a se contrair, ficando semelhante a uma membrana fina. Isso é influenciado pela força de coesão entre as moléculas de água. Para melhor compreender essa explicação, considere a seguinte ilustração. Vamos analisar o líquido em um recipiente.
Dentro do líquido, cada molécula é rodeada por outras moléculas em ambos os lados; mas na superfície do líquido, existem apenas moléculas abaixo. Na parte superior, não há outras moléculas. Como as moléculas do líquido se atraem mutuamente, a força resultante sobre as moléculas no interior do líquido é zero. Em contraste, as moléculas do líquido localizadas na superfície são atraídas pelas partículas do fluido que estão no fundo. Como resultado, na superfície do líquido, existe uma força resultante direcionada para baixo. Devido a essa força resultante para baixo, o líquido na superfície tende a reduzir sua área superficial, contraindo-se ao máximo.
Isso faz com que a camada líquida na superfície pareça estar coberta por uma fina membrana elástica. Esse fenômeno é conhecido como tensão superficial.
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Quando o clipe é cuidadosamente colocado na superfície da água, as moléculas de água localizadas na superfície são ligeiramente pressionadas pela gravidade do clipe, de modo que as moléculas de água localizadas abaixo exercem a força de sustentação para cima, mantendo o clipe no lugar.
Na realidade, não se trata apenas de clipes ou prendedores de papel, mas também de outros objetos, como agulhas. Se colocarmos cuidadosamente a agulha acima da superfície da água, ela flutuará. A tensão superficial do líquido também é o motivo pelo qual os insetos conseguem flutuar na água.
A equação da tensão superficial
Na discussão anterior, estudamos o conceito de tensão superficial qualitativamente (não há uma equação matemática). Agora, vamos revisar a tensão superficial quantitativamente. Para nos ajudar a deduzir a equação da tensão superficial, vamos considerar um fio dobrado em forma de U. Outro fio reto é preso às duas extremidades do fio em U, permitindo que o fio reto se mova.
Se este fio for inserido no sabão, ao ser removido, formará uma camada de água com sabão na superfície do fio. É como brincar com bolhas de sabão. Como o fio reto pode se mover e sua massa não é muito grande, a camada de água com sabão exercerá uma força de tensão superficial sobre o fio, fazendo com que ele suba em linha reta. Para impedir que o fio reto se mova (o fio está em equilíbrio), é necessária uma força total para baixo, cujo valor é dado por F = w + T. Em equilíbrio, F é igual à força de tensão superficial exercida pela camada de sabão sobre o fio reto.
Suponha que o comprimento de um fio reto seja l. Como a camada de água com sabão que toca um fio reto possui duas superfícies, a força de tensão superficial gerada pela camada de água com sabão atua ao longo de 2l. A tensão superficial na camada de sabão é uma relação entre a Força de Tensão Superficial (F) e o comprimento da superfície na qual a força atua (d). Nesse caso, o comprimento da superfície é 2l. Matematicamente, isso é expresso como:
Como a tensão superficial é a razão entre a força de tensão superficial e o comprimento, a unidade de tensão superficial é Newton por metro (N/m) ou dina por centímetro (dinas/cm).
A seguir, apresentamos alguns valores de tensão superficial obtidos com base em experimentos.
Com base nos dados de tensão superficial, a temperatura afeta o valor da tensão superficial do fluido. Geralmente, quando há um aumento na temperatura, o valor da tensão superficial diminui (compare a tensão superficial da água em cada temperatura. Veja a tabela). Isso ocorre porque, com o aumento da temperatura, as moléculas do líquido se movem mais rapidamente, de modo que o efeito da interação entre as moléculas do fluido diminui. Como resultado, o valor da tensão superficial também diminui.
Aplicação dos conceitos de tensão superficial no dia a dia
Você já se perguntou por que devemos lavar roupa com sabão? O problema é que as roupas que lavamos ficam realmente limpas; a água precisa passar por uma abertura muito estreita nas fibras do tecido. Por isso, é necessário aumentar a área de contato da água com a água. Bem, isso é muito difícil de fazer por causa da tensão superficial. Inevitavelmente, o valor da tensão superficial precisa ser reduzido primeiro. Podemos reduzir a tensão superficial usando água quente. Quanto maior a temperatura da água, melhor, pois quanto maior a temperatura da água, menor a tensão superficial (veja a tabela). Essa é a primeira alternativa e é um método raramente usado. Outra opção é usar sabão.
A uma temperatura de 20 ° C, o valor da tensão superficial da água com sabão é de 25.00 mN/m. Compare a tensão superficial da água com sabão com a da água quente: qual apresenta o menor valor? A 100 ° C, a tensão superficial da água quente é de 58.90 mN/m. A 20 ° C, a tensão superficial da água com sabão é de 25.00 mN/m. Portanto, é mais vantajoso usar sabão. O que foi explicado acima representa apenas um dos fatores que influenciam o resultado.
Por que a bolha de sabão ou de água é redonda?
As bolhas de sabão ou gotas de água são redondas porque são afetadas pela tensão superficial. Primeiro, vamos falar sobre as bolhas de sabão. As bolhas de sabão têm duas membranas finas na superfície e, entre elas, finas camadas de água.
A presença de tensão superficial faz com que a membrana se contraia e tenda a reduzir sua área superficial. Quando a membrana de água com sabão se contrai e tenta minimizar sua área superficial, há uma diferença entre a pressão do ar na parte externa da membrana (pressão atmosférica) e a pressão do ar na parte interna da camada. A pressão do ar externa (pressão atmosférica) também empurra a membrana de água com sabão quando ela se contrai, porque a pressão do ar na parte interna da membrana é menor.
Após a membrana se contrair, o ar em seu interior (ar aprisionado entre as duas membranas) é comprimido, aumentando a pressão do ar dentro da camada até que não haja mais contração. Em outras palavras, quando não há mais contração, a pressão do ar entre as membranas é igual à pressão atmosférica mais a força da tensão superficial que enruga a camada.
E quanto às gotas de orvalho ou gotas de água que saem da torneira? O mesmo acontece porque a principal causa é a tensão superficial. Se as bolhas de sabão têm duas membranas finas em duas superfícies, as gotas de água têm apenas uma camada fina, que fica na parte externa da gota. O interior está cheio de água. Devido à força de coesão, surge a tensão superficial. A parte externa da gota de água é puxada para dentro. Como resultado, a água se contrai e tende a reduzir sua área de superfície. A pressão atmosférica externa também exerce pressão sobre as gotas de água. A contração cessa quando a pressão no interior da gota de água se iguala à pressão atmosférica mais a força da tensão superficial que comprime a membrana da água.
