Tensão Superficial

Em um fluido cada molécula interage com as que o rodeiam. O raio de ação das forças moleculares é relativamente pequeno, abrange as moléculas vizinhas mais próximas. Vamos determinar de forma qualitativa, a resultante das forças de interação sobre uma molécula que se encontra em

• A, no interior do líquido
  
• B, nas proximidades da superfície
  
• C, na superfície
  

Consideremos uma molécula (em cor vermelha) no seio de um líquido em equilíbrio, distante da superfície livre tal como a A. Por simetria, a resultante de todas as forças atrativas procedentes das moléculas (em cor azul) que a rodeiam, será nula.

Se a molécula se encontra em B, por existir em média menos moléculas acima que abaixo, a molécula em questão estará submetida a uma força resultante dirigida para o interior do líquido.

Se a molécula se encontra em C, a resultante das forças de interação é maior que no caso B.

As forças de interação, fazem com que as moléculas situadas nas proximidades da superfície livre de um fluido experimentam uma força dirigida para o interior do líquido.

Como todo sistema mecânico tende a adotar espontaneamente o estado de menor energia potencial, compreendemos que os líquidos tenham tendência a apresentar externamente a superfície menor possível.

Coeficiente de tensão superficial

Podemos determinar a energia superficial devida a coesão mediante o dispositivo da figura. Uma lâmina de sabão fica aderida a um arame dobrado em duplo ângulo reto e a um arame deslizante AB. Para evitar que a lâmina se contraia por efeito das forças de coesão, é necessário aplicar uma força F ao arame deslizante.

A força F é independente do comprimento x da lâmina. Se deslocamos o arame deslizante um comprimento x, as forças exteriores realizam um trabalho Fx, que será convertido para incrementar a energia interna do sistema. Como a superfície da lâmina varia em S=2dx (o fator 2 é devido a que a lâmina tem duas faces), o que supõe que parte das moléculas que se encontravam no interior do líquido foram transladada para a superfície recém criada, com o conseqüente aumento de energia.

Se chamamos  a energia por unidade de área, é verificado que

a energia superficial por unidade de área ou tensão superficial é medido em J/m² ou em N/m.

A tensão superficial depende da natureza do líquido, do meio que o rodeia e da temperatura. Em geral, a tensão superficial diminui com a temperatura, já que as forças de coesão diminuem ao aumentar a agitação térmica. A influência do meio exterior é compreendida já que as moléculas do meio exercem ações atrativas sobre as moléculas situadas na superfície do líquido, contrapondo as ações das moléculas do líquido.

Tensão superficial dos líquidos a 20ºC

Líquido	 (10-3 N/m)
Óleo de oliva	33.06
Água	72.8
Álcool etílico	22.8
Benzeno	29.0
Glicerina	59.4
Petróleo	26.0

Fuente: Manual de Física, Koshkin N. I. , Shirkévich M. G.. Editorial Mir (1975)

Medida da tensão superficial de um líquido

O método de Du Nouy é um dos mais conhecidos. Medimos a força adicional ΔF que temos que exercer sobre um anel de alumínio justo no momento no qual a lâmina de líquido vai se romper.

A tensão superficial do líquido é calculada a partir do diâmetro 2R do anel e do valor da força ΔF que mede o dinamômetro. O líquido é colocado em um recipiente, com o anel inicialmente submerso. Mediante um tubo que serve de sifão é extraído pouco a pouco o líquido do recipiente.

Na figura é representado:

1. O começo do experimento
   
2. Quando vai se formando uma lâmina de líquido.
   

1. A situação final, quando a lâmina compreende unicamente duas superfícies ( nesta situação a medida da força é a correta) justo antes de romper-se.
   

So o anel tem a borda pontiaguda, o peso do líquido que foi elevado acima da superfície do líquido não perturbado, é desprezível.

Nem todos os laboratórios escolares dispõe de um anel para realizar a medida da tensão superficial de um liquido, porém dispõe de um porta objetos para microscópio. Se trata de uma pequena peça retangular de vidro cujas dimensões são a=75 mm de comprimento, b=25 mm de largura e aproximadamente c=1 mm de espessura, seu peso é aproximadamente 4.37 g.

Pesamos primeiro o porta objetos no ar e a seguir, quando sua borda inferior toca a superfície do líquido. A diferença de peso ΔF está relacionada com a tensão superficial

ΔF=2·γ(a+c)

Puxamos o porta objetos para cima quase estaticamente. Justamente, quando deixa de ter contato com a superfície do líquido, a força F que exercemos para cima é igual a soma de:

• O peso do porta objetos mg
  
• A força devida a tensão superficial da lâmina de líquido que se formou 2·γ(a+c)
  
• O peso do líquido ρgach que foi elevado uma altura h, sobre a superfície livre de líquido. Sendo ρ é a densidade do líquido.
  

Para um porta objetos das dimensões mostradas, que toca a superfície da água, h é da ordem de 2.3 mm (veja o artigo citado nas referências)

• A força devida a tensão superficial é 2·γ(a+c)=2·72.8·10^-3·(0.075+0.001)=11.07·10^-3 N
  
• O peso da lâmina de água é da ordem de ρgach=1000·9.8·0.075·0.001·0.0023=1.70·10^-3 N
  

Para que a simulação seja a mais simples possível, não levamos em conta o peso da lâmina de líquido que se eleva acima da superfície livre.