Entendendo a tensão superficial
A tensão superficial ocorre porque a superfície de um líquido tende a enrijecer, criando uma aparência semelhante a uma membrana fina. Isso é influenciado pelas forças de coesão entre as moléculas de água. Para melhor compreender essa explicação, considere a seguinte ilustração. Vamos imaginar um líquido em um recipiente.
As moléculas de um líquido geralmente se atraem. No interior de um líquido, cada molécula é cercada por outras moléculas em cada lado; mas na superfície do líquido, existem apenas moléculas nas laterais e abaixo. Não há outras moléculas acima. Como as moléculas de um líquido se atraem, a força resultante sobre as moléculas no interior do líquido é zero. Por outro lado, as moléculas na superfície são atraídas pelas moléculas nas laterais e abaixo. Como resultado, existe uma força resultante na superfície do líquido direcionada para baixo. Devido a essa força resultante para baixo, o líquido na superfície tende a reduzir sua área superficial, encolhendo o máximo possível.
Isso faz com que a camada de líquido na superfície pareça estar coberta por uma fina membrana elástica.
Quando o clipe é cuidadosamente colocado na superfície da água, as moléculas de água presentes na superfície são ligeiramente comprimidas por gravidade o clipe, de modo que as moléculas de água localizadas abaixo forneçam uma força restauradora ascendente para sustentar o clipe (lembre-se novamente) elasticidade e lei de Hooke).
Na verdade, clipes de papel não são a única coisa que você pode usar; outros objetos, como agulhas, também podem servir de apoio. Se você colocar uma agulha cuidadosamente na superfície da água, ela flutuará. É por isso que os insetos também conseguem flutuar na água.
Equação da Tensão Superficial
Para nos ajudar a deduzir a equação da tensão superficial, consideramos 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 colocado em uma solução de sabão, após ser retirado, uma camada de água com sabão se formará na superfície do fio. Similar ao que acontece quando brincamos com bolhas de sabão. Como o fio reto pode ser movido e sua massa não é muito grande, a camada de água com sabão exercerá uma força de tensão superficial sobre o fio reto, fazendo com que ele se mova para cima (observe a direção da seta). Para impedir que o fio reto se mova (o fio está em equilíbrio), é necessária uma força total direcionada para baixo, cuja magnitude é F = w + T. Em equilíbrio, F = a força exercida pela camada de água com sabão sobre o fio reto.
Suponha que o comprimento de um fio reto seja l. Como a camada de água com sabão que toca o fio reto possui duas superfícies, a força gerada pela camada de água com sabão atua ao longo de um comprimento de 2l. A tensão superficial na camada de sabão é a razão entre a força (F) e o comprimento da superfície sobre a qual a força atua (d). Nesse caso, o comprimento da superfície é 2l. Matematicamente, isso é escrito como:
Como a tensão superficial é a razão entre a força e a unidade de comprimento, as unidades são Newton por metro (N/m) ou dina por centímetro (dina/cm).
A seguir, apresentamos alguns valores de tensão superficial obtidos com base em experimentos.
Com base nos dados acima, parece que a temperatura afeta a tensão superficial de um fluido. De modo geral, à medida que a temperatura aumenta, o valor diminui. Isso ocorre porque, com o aumento da temperatura, as moléculas do líquido se movem mais rapidamente, reduzindo a interação entre elas. Consequentemente, o valor da tensão superficial também diminui.
Aplicação no dia a dia
Você já se perguntou por que lavamos roupa com sabão? O problema é que, para obter roupas realmente limpas, a água precisa passar por espaços muito estreitos entre as fibras. Isso exige aumentar a área de superfície da água. Conseguir isso é muito difícil devido à tensão superficial. Quer queiramos ou não, a tensão superficial da água precisa ser reduzida 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 raramente é usada, exceto por quem gosta de brincar com água quente. Outra alternativa é usar sabão.
A uma temperatura de 20 oC, o valor da tensão superficial da água com sabão é 25,00 mN/m. Compare a água com sabão e a água quente: qual tem o menor valor? A 100 oC, o valor da tensão superficial da água quente é 58,90. A uma temperatura de 20 oC, a tensão superficial da água com sabão é de 25,00 mN/m. Usar sabão é mais vantajoso… a água também não está quente. Existem outros fatores que influenciam a eficácia da limpeza de nossas roupas ou corpos com sabão. Portanto, o que foi mencionado acima é apenas um deles.
Por que as bolhas de sabão ou de água são redondas?
As bolhas de sabão, ou gotas de água, têm formato esférico devido à tensão superficial. Vamos começar falando sobre as bolhas de sabão. Elas possuem duas membranas finas em sua superfície, com uma fina camada de água entre elas.
A tensão superficial faz com que a membrana se contraia, tendendo a reduzir sua área de superfície. Quando a membrana de água com sabão se contrai e tenta reduzir sua área de superfície, surge uma diferença de pressão do ar entre o exterior da membrana (pressão atmosférica) e o interior da membrana. A pressão do ar fora da membrana (pressão atmosférica) também empurra a membrana de água com sabão à medida que ela se contrai, porque a pressão do ar dentro da membrana é menor.
Após a contração da membrana, o ar em seu interior (o ar aprisionado entre as duas membranas) também é comprimido, aumentando a pressão do ar dentro da membrana até que a contração cesse. Em outras palavras, quando a contração cessa, a pressão do ar entre as membranas é igual à pressão atmosférica mais a força de tensão superficial que contrai as membranas.
E quanto às gotas de orvalho ou às gotas de água que saem de uma torneira? Elas são essencialmente a mesma coisa, já que a principal causa é a tensão superficial. Enquanto uma bolha de sabão tem duas membranas finas em suas duas superfícies, uma gota de água tem apenas uma membrana fina, na parte externa da gota. O interior é preenchido com água. A parte externa da gota é puxada para dentro. Como resultado, a água se contrai, tendendo a reduzir sua área de superfície. A pressão atmosférica externa também ajuda a comprimir a gota de água. A contração para quando a pressão no interior da água se iguala à pressão atmosférica mais a força que contrai a membrana da água.
