Tensão superficial

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Diagrama de forças de coesão no interior e na superfície de um líquido.

Tensão superficial é um efeito físico que ocorre na interface entre duas fases químicas. Ela faz com que a camada superficial de um líquido venha a se comportar como uma membrana elástica. Esta propriedade é causada pelas forças de coesão entre moléculas semelhantes, cuja resultante vetorial é diferente na interface. Enquanto as moléculas situadas no interior de um líquido são atraídas em todas as direções pelas moléculas vizinhas, as moléculas da superfície do líquido sofrem apenas atrações laterais e internas. Este desbalanço de forças de atração que faz a interface se comportar como uma película elástica como um látex.

Por causa da tensão superficial, alguns objetos mais densos que o líquido podem flutuar na superfície, caso estes se mantenham secos sobre a interface. Este efeito permite, por exemplo, que alguns insetos caminhem sobre a superfície da água e que poeira fina não afunde. A tensão superficial também é responsável pelo efeito de capilaridade, formação de gotas e bolhas, e imiscibilidade entre líquidos polares e apolares (separação de óleo e água).

Fenômenos causados pela tensão superficial[editar | editar código-fonte]

A. A gota água da chuva sobre uma superfície de hidrofóbica, tal como uma folha. As forças moleculáres de adesão entre a água e a superfície são muito mais fracas que as forças de coesão. A tensão superficial dá às gotas a esta forma quase esférica, porque uma esfera tem a menor relação de superfície/volume possível.

B. Gotas se formam quando um filete líquido é esticado, aumentando a relação de superfície/volume. A animação mostra o filete d'água aderido à torneira ganhando massa até ser esticada a um ponto em que a tensão de superfície já não pode ligá-la à torneira. Assim que o filete se rompe, a gota se torna esférica pelo própria tensão de superfície.[1]

C. Objetos mais densos que a água flutuam por causa tensão superficial quando eles têm superfície hidrofóbica (não molhável) e se seu peso for menor que as forças resultantes da tensão superficial,[2] como aranhas d'água usando a tensão superficial para caminhar sobre a água. Neste caso, a superfície da água funciona como uma membrana elástica.[3]

D. Separação de óleo e água (neste caso, água e cera derretida) é causada pela tensão superficial entre dois líquidos distintos. Este caso de tensão superficial também é chamado de tensão de interface, mas a física é a mesma.

E. Lágrimas de vinho acontecem quando bebidas alcólicas sobem sobre o vidro, acumulam e descem em forma de gotas. Este é o efeito de Marangoni, que ocorre porque existe um gradiente de tensão superficial nos cantos do copo. A bebida alcólica é uma mistura principalmente composta de água e etanol, que possui tensão superficial mais baixa que água pura. As gotas sobem não só por causa da baixa tensão superficial, mas também porque o aumento da superfície facilita a evaporação do álcool. Assim que o álcool evapora, a tensão superficial sobe as gotas se formam e descem de volta para a superfície do vinho.

F. Bolhas de sabão são formadas por uma membrana d'água com ar dentro e fora. Esse tipo de bolha normalmente necessita do sabão (surfactante) para reduzir a tensão superficial da água e assim deixar a bolha mais estável.

G. Capilaridade acontece quando a afinidade do líquido pela superfície é grande o suficiente para vencer a o seu próprio peso. A porosidade do material é diretamente proporcional à relação superfície de contato/volume.

H. Sabões, detergentes e outros surfactantes rompem a tensão superficial, por que essas moléculas possuem um lado com boa afinidade com a água (hidrofílico) e outro lado com boa afinidade com gorduras (hidrofóbico ou lipofílico).

Física[editar | editar código-fonte]

Grandeza física[editar | editar código-fonte]

A letra grega γ é normalmente usada para representar a tensão superficial. A tensão superficial tem a grandeza de força por unidade de comprimento, que é equivalente a energia por unidade de área. Normalmente, o termo energia de superfície é usado para a dimensão de energia por unidade de área. Energia de superfície é um termo mais geral, também aplicado a sólidos. Em SI sua grandeza é newton por metro ou joule por metro cúbico. O sistema cgs também é muito utilizado, com suas grandezas dina por centímetro e erg por centímetro quadrado.[4]

 \gamma = 1 ~\frac{dyn}{cm} = 1 ~\frac{erg}{cm^2} = 0.001~\frac{N}{m} = 0.001~\frac{J}{m^2}

Equação de Young-Laplace[editar | editar código-fonte]

O diagrama mostra, na seção transversal, uma agulha que está sobre a tensão superficial da água. Seu peso, Fw, faz uma força contra a superfície da água que é equilibrada pelas forças de tensão superficial da água em ambos os lados, Fs[5]

A tensão superficial está relacionada com a diferença de pressão entre os dois lados de uma interface pela equação de Young-Laplace:


\Delta P=\gamma (\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2})

Em que R1 e R2 são os raios de curvatura da interface.

Tensão superficial de alguns líquidos[editar | editar código-fonte]

Abaixo, a tensão superficial de vários líquidos em Dina por centímetro, equivalente, no Sistema Internacional de Unidades a milinewton por metro:

Líquido Temperatura em °C Tensão superficial em dyn/cm
Ácido acético 20 27,6
Ácido acético (40,1%) + água 30 40,68
Ácido acético (10%) + água 30 54,56
Acetona 20 23,7
Éter etílico 20 17
Etanol 20 22,27
Etanol (40%) + água 25 29,63
Etanol (11,1%) + água 25 46,03
Glicerina 20 63
Hexano 20 18,4
Ácido clorídrico em solução aquosa 20 65,95
Isopropanol 20 21,7
Mercúrio 15 487
Álcool metílico 20 22,6
Octano 20 21,8
Solução aquosa de cloreto de sódio 20 82,55
Sacarose + água 20 76,45
Água 0 75,64
Água 25 71,97
Água 50 67,91
Água 100 58,85

Referências

  1. John W. M. Bush (May 2004). MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 5 (PDF) Massachusetts Institute of Technology. Visitado em April 1, 2007.
  2. White, Harvey E.. Modern College Physics. [S.l.]: van Nostrand, 1948. ISBN 0-442-29401-8.
  3. John W. M. Bush (May 2004). MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 3 (PDF) Massachusetts Institute of Technology. Visitado em April 1, 2007.
  4. John W. M. Bush (April 2004). MIT Lecture Notes on Surface Tension, lecture 1 (PDF) Massachusetts Institute of Technology. Visitado em April 1, 2007.
  5. White, Harvey E.. Modern College Physics. [S.l.]: van Nostrand, 1948. ISBN 0442294018.
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