Tensione superficiale

Tensione superficiale

La tensione superficiale è un fenomeno che avviene alla superficie di separazione (o di contatto) tra due fasi all’interfaccia, che è la zona di contatto tra due fasi distinte ed immiscibili tra loro, di cui una fase è sempre l’aria e l’altra è un liquido. La tensione superficiale può essere definita come "la tendenza di un fluido a contrarre la sua superficie quando viene messo a contatto con l'aria".

Forze coesive e adesive

Le forze tra molecole di una stessa fase sono le forze coesive; invece, tra molecole diverse sono le forze adesive. In particolare, consideriamo un recipiente di acqua e si ha che:

• Le molecole di H₂O nella massa interagiscono con le molecole uguali attraverso forze coesive che sono uguali in tutte le direzioni.
• Le molecole di H₂O che si trovano all’interfaccia interagiscono con le molecole uguali attraverso forze coesive e con le molecole di aria attraverso forze adesive.

Il risultato è che alcune molecole all’interfaccia saranno attratte verso il basso dalle molecole uguali, mentre quelle che rimangono in superficie tendono ad avvicinarsi tra di loro. L’effetto sarà una contrazione della superficie dell’acqua.

Effetto della temperatura

A parità di temperatura, maggiori sono le forze coesive, maggiore sarà la tendenza del liquido a contrarre la sua superficie a contatto con l’aria e quindi maggiore sarà il valore di tensione superficiale. Da ciò ne deriva che, poiché le forze coesive tra le molecole di Hg sono legami metallici e quindi molto forti, il mercurio è il fluido con il valore più alto di tensione superficiale; infatti, il mercurio a contatto con l’aria tende ad assumere la forma di una sfera, perché la sfera, a parità di volume, è il solido che ha la minore superficie di contatto.

Direzione e unità di misura

La tensione superficiale è un vettore e la sua direzione è tangente alla superficie. Per arrivare a definire l’unità di misura della tensione superficiale, si considera un telaio aventi tre lati fissi ed un lato mobile, il "telaio di Duprez". Si immerge il telaio all’interno di un liquido in modo tale che quando viene tirato fuori si forma un velo di liquido che a contatto con l’aria contrae la sua superficie e sposta verso il basso il lato mobile del telaio. La forza necessaria a riportare il lato mobile “l” alla condizione iniziale dipenderà dalla tensione superficiale:

F = γ · l

Quindi la tensione superficiale avrà le dimensioni di una forza su una lunghezza lineare: N/m (SI) o “dine/cm” (sistema CGS). Se invece consideriamo l’incremento dell’area che riporta alla condizione iniziale possiamo esprimere γ in termini di lavoro, dove l per dx è l’incremento dell’area. SI: J/m² ovvero Nm/m² cioè N/m.

Energia libera di superficie

L’energia libera di superficie è l’energia necessaria ad incrementare la superficie di un m².

Bagnabilità e espandibilità

Al concetto di tensione superficiale sono legati quello di bagnabilità e espandibilità. La bagnabilità è definita come "la tendenza di un solido ad essere bagnato da un liquido".