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Tensão superficial

Autor: Leandro Alegsa

28-02-2021

A tensão superficial é um efeito onde a superfície de um líquido é forte. A superfície pode aguentar um peso, e a superfície de uma gota d'água mantém a gota junta, em forma de bola. Algumas pequenas coisas podem flutuar em uma superfície devido à tensão superficial, mesmo que normalmente não conseguissem flutuar. Alguns insetos (p. ex., os estranguladores de água) podem correr sobre a superfície da água por causa disso. Esta propriedade é causada pelas moléculas do líquido sendo atraídas umas para as outras (coesão), e é responsável por muitos dos comportamentos dos líquidos.

A tensão superficial tem a dimensão de força por unidade de comprimento, ou de energia por unidade de área. Os dois são equivalentes - mas quando se refere à energia por unidade de área, as pessoas usam o termo energia de superfície - que é um termo mais geral no sentido de que se aplica também aos sólidos e não apenas aos líquidos.

Na ciência dos materiais, a tensão superficial é utilizada tanto para a tensão superficial quanto para a energia livre da superfície.

Causas

As forças coesivas entre as moléculas líquidas causam tensão superficial. Na maior parte do líquido, cada molécula é puxada igualmente em todas as direções pelas moléculas líquidas vizinhas, resultando em uma força líquida de zero. As moléculas na superfície não têm outras moléculas em todos os lados e, portanto, são puxadas para dentro. Isto cria alguma pressão interna e força as superfícies líquidas a se contraírem até a área mínima.

A tensão superficial é responsável pela forma das gotículas líquidas. Embora facilmente deformadas, as gotículas de água tendem a ser puxadas para uma forma esférica pelas forças coesivas da camada superficial. Na ausência de outras forças, incluindo a gravidade, gotas de praticamente todos os líquidos seriam perfeitamente esféricas. A forma esférica minimiza a "tensão da parede" necessária da camada superficial de acordo com a lei de Laplace.

Outra maneira de vê-la é em termos de energia. Uma molécula em contato com um vizinho está em um estado de energia menor do que se estivesse sozinha (não em contato com um vizinho). As moléculas interiores têm tantos vizinhos quanto eles podem ter, mas as moléculas de fronteira não têm vizinhos (em comparação com as moléculas interiores). Portanto, as moléculas de fronteira têm uma energia mais alta. Para que o líquido minimize seu estado energético, o número de moléculas limítrofes de energia superior deve ser minimizado. A quantidade minimizada de moléculas limítrofes resulta em uma área de superfície minimizada.

Como resultado da minimização da área de superfície, uma superfície assumirá a forma mais suave possível. Qualquer curvatura na forma da superfície resulta em maior área e maior energia. Assim, a superfície empurrará para trás contra qualquer curvatura da mesma forma que uma bola empurrada para cima empurrará para trás para minimizar sua energia potencial gravitacional.

Diagrama das forças sobre as moléculas em líquido

A tensão superficial impede que o clipe de papel submerja.

Efeitos na vida cotidiana

Água

O estudo da água mostra vários efeitos da tensão superficial:

A. A água da chuva forma grânulos na superfície de uma superfície cerosa, como uma folha. A água adere fraca à cera e fortemente a si mesma, de modo que a água se aglomera em gotas. A tensão superficial lhes dá sua forma quase esférica, porque uma esfera tem a menor área de superfície possível em relação ao volume.

B. A formação de gotas ocorre quando uma massa de líquido é esticada. A animação mostra a água aderindo à torneira ganhando massa até que seja esticada até um ponto em que a tensão superficial não possa mais amarrá-la à torneira. Ela então separa e a tensão superficial forma a gota em uma esfera. Se um fluxo de água estivesse correndo da torneira, o fluxo se quebraria em gotas durante sua queda. A gravidade estica o jato, então a tensão superficial o prende em esferas.

C. Objetos mais densos que a água ainda flutuam quando o objeto não é molhável e seu peso é pequeno o suficiente para ser suportado pelas forças decorrentes da tensão superficial. Por exemplo, os estranguladores de água utilizam a tensão superficial para caminhar sobre a superfície de um tanque. A superfície da água se comporta como uma película elástica: os pés do inseto causam reentrâncias na superfície da água, aumentando sua área superficial.

D. A separação de óleo e água (neste caso, água e cera líquida) é causada por uma tensão na superfície entre líquidos diferentes. Este tipo de tensão superficial é chamado "tensão de interface", mas sua física é a mesma.

E. Lágrimas de vinho é a formação de gotas e rebordos na lateral de um copo contendo uma bebida alcoólica. Sua causa é uma complexa interação entre as diferentes tensões superficiais da água e do etanol. Ela é induzida por uma combinação de modificação da tensão superficial da água pelo etanol junto com a evaporação do etanol mais rápida que a da água.

A. Água que escorre em uma folha

B. Água pingando de uma torneira

C. As correntes de água permanecem sobre o líquido por causa da tensão superficial

D. Lâmpada de lava com interação entre líquidos diferentes; água e cera líquida

E. Foto mostrando o fenômeno das "lágrimas de vinho".

Surfactantes

A tensão superficial é visível em outros fenômenos comuns, especialmente quando são utilizados surfactantes para diminuí-la:

As bolhas de sabão têm áreas de superfície muito grandes com muito pouca massa. As bolhas em água pura são instáveis. A adição de surfactantes, entretanto, pode ter um efeito estabilizador sobre as bolhas (ver efeito Marangoni). Observe que os surfactantes realmente reduzem a tensão superficial da água por um fator de três ou mais.
As emulsões são um tipo de solução em que a tensão superficial tem um papel importante. Pequenos fragmentos de óleo suspensos em água pura se montam espontaneamente em massas muito maiores. Mas a presença de um surfactante proporciona uma diminuição da tensão superficial, o que permite a estabilidade de pequenas gotas de óleo na maior parte da água (ou vice-versa).

Física básica

Duas definições

A tensão superficial, representada pelo símbolo γ é definida como a força ao longo de uma linha de comprimento unitário, onde a força é paralela à superfície, mas perpendicular à linha. Uma maneira de imaginar isto é imaginar um filme de sabão plano limitado de um lado por uma linha esticada de comprimento, L. A linha será puxada em direção ao interior do filme por uma força igual a 2 γ {\i1}displaystyle {\i}scriptstyle {\i}gamma $\scriptstyle \gamma$ L (o fator 2 é porque a película de sabão tem dois lados, portanto, duas superfícies). A tensão superficial é, portanto, medida em forças por unidade de comprimento. Sua unidade SI é newton por metro, mas a unidade cgs de dyne por cm também é utilizada. Um dyn/cm corresponde a 0,001 N/m.

Uma definição equivalente, útil na termodinâmica, é o trabalho realizado por unidade de área. Como tal, para aumentar a área de superfície de uma massa de líquido em uma quantidade, δA, uma quantidade de trabalho, γ $\scriptstyle \gamma$ δA, é necessário. Este trabalho é armazenado como energia potencial. Conseqüentemente, a tensão superficial também pode ser medida no sistema SI como joules por metro quadrado e no sistema cgs como ergs por cm2. Como os sistemas mecânicos tentam encontrar um estado de energia potencial mínima, uma gota livre de líquido assume naturalmente uma forma esférica, que tem a área de superfície mínima para um determinado volume.

A equivalência da medição de energia por unidade de área para forçar por unidade de comprimento pode ser comprovada pela análise dimensional.

Curvatura e pressão da superfície

Se nenhuma força atuar normalmente sobre uma superfície tensionada, a superfície deve permanecer plana. Mas se a pressão em um lado da superfície for diferente da pressão do outro lado, a diferença de pressão vezes a área da superfície resulta em uma força normal. Para que a força de tensão superficial anule a força devido à pressão, a superfície deve ser curvada. O diagrama mostra como a curvatura da superfície de uma pequena mancha de superfície leva a um componente líquido das forças de tensão superficial agindo normalmente até o centro da mancha. Quando todas as forças estão equilibradas, a equação resultante é conhecida como a equação de Young-Laplace:

Δ p = γ ( 1 R x + 1 R y ) Delta p = =gamma esquerda (1 R_Frac) + (1 R_x) $\Delta p\ =\ \gamma \left({\frac {1}{R_{x}}}+{\frac {1}{R_{y}}}\right)$

onde:

· Δp é a diferença de pressão.

· γ {\i1}displaystyle {\i1}scriptstyle {\i}gamma $\scriptstyle \gamma$ é tensão superficial.

· Rx e _Ry são raios de curvatura em cada um dos eixos que são paralelos à superfície.

A quantidade entre parênteses no lado direito é de fato (duas vezes) a curvatura média da superfície (dependendo da normalização).

Soluções para esta equação determinam a forma das gotas de água, poças, meniscos, bolhas de sabão, e todas as outras formas determinadas pela tensão superficial. (Outro exemplo é a forma das impressões que os pés de um estrador de água fazem na superfície de uma lagoa).

A tabela abaixo mostra como a pressão interna de uma gota d'água aumenta com raio decrescente. Para gotas não muito pequenas, o efeito é sutil, mas a diferença de pressão torna-se enorme quando os tamanhos das gotas se aproximam do tamanho molecular. (No limite de uma única molécula, o conceito se torna sem sentido).

Δp para gotas de água de diferentes raios em STP
Raio de gota	1 mm	0,1 mm	1 μm	10 nm
Δp (atm)	0.0014	0.0144	1.436	143.6

Superfície líquida

É difícil encontrar a forma da superfície mínima delimitada por alguma estrutura de forma arbitrária usando apenas a matemática. No entanto, ao moldar a armação com arame e mergulhá-la em solução de sabão, uma superfície local mínima aparecerá no filme de sabão resultante em segundos.

A razão disso é que a diferença de pressão através de uma interface fluida é proporcional à curvatura média, como visto na equação Young-Laplace. Para um filme de sabão aberto, a diferença de pressão é zero, portanto a curvatura média é zero, e as superfícies mínimas têm a propriedade de curvatura média zero.

Ângulos de contato

A superfície de qualquer líquido é uma interface entre esse líquido e algum outro meio. A superfície superior de um tanque, por exemplo, é uma interface entre a água do tanque e o ar. A tensão superficial, portanto, não é uma propriedade apenas do líquido, mas uma propriedade da interface do líquido com outro meio. Se um líquido estiver em um recipiente, então além da interface líquido/ar em sua superfície superior, há também uma interface entre o líquido e as paredes do recipiente. A tensão superficial entre o líquido e o ar é normalmente diferente (maior que) sua tensão superficial com as paredes de um recipiente. Onde as duas superfícies se encontram, a geometria equilibra todas as forças.

Onde as duas superfícies se encontram, elas formam um ângulo de contato, θ estilo de escrita $\scriptstyle \theta$ que é o ângulo que a tangente à superfície faz com a superfície sólida. O diagrama à direita mostra dois exemplos. As forças de tensão são mostradas para a interface líquido-ar, a interface líquido-sólido, e a interface sólido-ar. O exemplo à esquerda é onde a diferença entre a tensão de superfície líquido-sólido e sólido-ar, γ l s - γ s a {\i1}sisplaystyle {\i}gamma _{\i1}mathrm GAMMA }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }$ é menor que a tensão da superfície do ar líquido, γ l a {\i1}sigestão do estilo de escrita da gamma _{\i1} }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$ mas ainda é positivo, ou seja

γ l a > γ l s - γ s a > 0 {\i1}displaystyle {\i}gamma _{\i1}mathrm {\i} gamma GAMMA }\ >\ 0} $\gamma _{\mathrm {la} }\ >\ \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }\ >\ 0$

No diagrama, tanto as forças verticais como horizontais devem ser canceladas exatamente no ponto de contato, conhecido como equilíbrio. O componente horizontal de f l a {\i1}escrito estilo f_mathrm $\scriptstyle f_{\mathrm {la} }$ é cancelado pela força adesiva, f Um estilo de escrita f_mathrm }} $\scriptstyle f_{\mathrm {A} }$ .

f A = f l a sin θ {\i1}displaystyle f_{\i}mathrm {\i} f_mathrm na teta} $f_{\mathrm {A} }\ =\ f_{\mathrm {la} }\sin \theta$

O equilíbrio de forças mais importante, no entanto, está na direção vertical. O componente vertical do estilo f l a {\i1}escrito f_mathrm $\scriptstyle f_{\mathrm {la} }$ deve exatamente cancelar a força, f l s s e m estilo de escrita f_mathrm }} $\scriptstyle f_{\mathrm {ls} }$ .

f l s - f s a = - f l a cos θ {\i1}displaystyle f_mathrm {\i} f__mathrm {{sa} = -f_mathrm Os custos de produção} $f_{\mathrm {ls} }-f_{\mathrm {sa} }\ =\ -f_{\mathrm {la} }\cos \theta$

Líquido

Sólido

Ângulo de contato

água

vidro soda-cálcico

vidro de chumbo

quartzo fundido

0°

etanol

éter dietílico

tetracloreto de carbono

glicerol

ácido acético

água

cera de parafina

107°

prata

90°

iodeto de metila

vidro soda-cálcico

29°

vidro de chumbo

30°

quartzo fundido

33°

mercúrio

vidro soda-cálcico

140°

Alguns ângulos de contato líquido-sólido

Como as forças estão em proporção direta com suas respectivas tensões superficiais, nós também as temos:

γ l s - γ s a = - γ l a cos θ {\i1}displaystyle {\i}gamma _{\i}mathrm GAMMA Gamma _mathrm Os custos de produção} $\gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }\ =\ -\gamma _{\mathrm {la} }\cos \theta$

onde

· γ ls {\i1}simples estilo de escrita }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {ls} }$ é a tensão superficial líquido-sólido,

· γ l a {\i1}l a {\i1}displaystyle {\i}scriptstyle {\i}gamma _{\i1}mathrm }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$ é a tensão de superfície líquido-ar,

· γ s a {\i1}sum estilo de escrita }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {sa} }$ é a tensão da superfície de ar sólido,

· θ {\i1} $\scriptstyle \theta$ é o ângulo de contato, onde um menisco côncavo tem um ângulo de contato inferior a 90° e um menisco convexo tem um ângulo de contato superior a 90°.

Isto significa que, embora a diferença entre a tensão de superfície líquida sólida e sólida, γ l s - γ s a {\i1}sigla de estilo de escrita _{\i1}gamma GAMMA }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }$ A tensão de superfície do ar líquido, é difícil de medir diretamente, pode ser inferida a partir da tensão da superfície do ar líquido, γ l a {\i1}gamma estilo de escrita _{\i} }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$ e o ângulo de contato de equilíbrio, θ estilo de escrita O ângulo de contato do $\scriptstyle \theta$ artigo principal, que é uma função dos ângulos de contato facilmente mensuráveis de avanço e retrocesso (ver ângulo de contato do artigo principal).

Esta mesma relação existe no diagrama à direita. Mas neste caso vemos que, como o ângulo de contato é inferior a 90°, a diferença de tensão de superfície líquido-sólido/ar-sólido deve ser negativa:

γ l a > 0 > γ l s - γ s a {\i1}displaystyle {\i}gamma _{\i1}mathrm 0 > 0 >gamma _mathrm GAMMA }} $\gamma _{\mathrm {la} }\ >\ 0\ >\ \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }$

ângulos especiais de contato

Observe que no caso especial de uma interface água-prata onde o ângulo de contato é igual a 90°, a diferença de tensão de superfície líquido-sólido/ar sólido é exatamente zero.

Outro caso especial é onde o ângulo de contato é exatamente 180°. A água com Teflon especialmente preparado se aproxima disso. O ângulo de contato de 180° ocorre quando a tensão de superfície líquido-sólido é exatamente igual à tensão de superfície líquido-ar.

γ l a = γ l s - γ s a > 0 θ = 180 ∘ {\i1}displaystyle {\i}gamma _{\i1}mathrm {\i} Gamma GAMMA 0qquad = 180 ^{\i1}theta = 180^{\i} $\gamma _{\mathrm {la} }\ =\ \gamma _{\mathrm {ls} }-\gamma _{\mathrm {sa} }\ >\ 0\qquad \theta \ =\ 180^{\circ }$

O diagrama mostra, em corte transversal, uma agulha flutuando sobre a superfície da água. Seu peso, Fw, deprime a superfície, e é equilibrado pelas forças de tensão superficial em ambos os lados, Fs, que são paralelas à superfície da água nos pontos onde ela entra em contato com a agulha. Observe que os componentes horizontais das duas setas Fs apontam em direções opostas, de modo que elas se anulam, mas os componentes verticais apontam na mesma direção e, portanto, somam para equilibrar Fw.

Forças de tensão superficial atuando sobre um pequeno (diferencial) pedaço de superfície. δθx e δθy indicam a quantidade de curvatura sobre as dimensões do remendo. O balanceamento das forças de tensão com a pressão leva à equação de Young-Laplace

Forças no ponto de contato mostradas para ângulo de contato maior que 90° (esquerda) e menor que 90° (direita) [{ [95159-73815]}] Como a tensão superficial se manifesta em vários efeitos, ela oferece uma série de caminhos para sua medição. O método ideal depende da natureza do líquido a ser medido, das condições sob as quais sua tensão deve ser medida e da estabilidade de sua superfície quando deformada. Método Du Noüy Ring: O método tradicional utilizado para medir a tensão superficial ou interfacial. As propriedades molhantes da superfície ou interface têm pouca influência sobre esta técnica de medição. A tração máxima exercida sobre o anel pela superfície é medida. Método Du Noüy-Padday: Uma versão minimizada do método Du Noüy utiliza uma agulha metálica de pequeno diâmetro em vez de um anel, em combinação com uma microbalança de alta sensibilidade para registrar a tração máxima. A vantagem deste método é que volumes de amostra muito pequenos (até poucas dezenas de microlitros) podem ser medidos com muito alta precisão, sem a necessidade de corrigir a flutuabilidade (para uma agulha ou melhor, haste, com geometria adequada). Além disso, a medição pode ser realizada muito rapidamente, minimamente em cerca de 20 segundos. Os primeiros tensiômetros comerciais multicanais [CMCeeker] foram construídos recentemente com base neste princípio. Método da placa Wilhelmy: Um método universal especialmente adequado para verificar a tensão superficial em longos intervalos de tempo. Uma placa vertical de perímetro conhecido é fixada a um equilíbrio, e a força devida ao molhamento é medida. Método de gota giratória: Esta técnica é ideal para medir baixas tensões interfaciais. O diâmetro de uma gota dentro de uma fase pesada é medido enquanto ambas são giradas. Método de gota de pingente: A tensão superficial e interfacial pode ser medida por esta técnica, mesmo a temperaturas e pressões elevadas. A geometria de uma gota é analisada opticamente. Para detalhes, veja Drop. Método da pressão da bolha (método de Jaeger): Uma técnica de medição para determinar a tensão superficial em idades superficiais curtas. A pressão máxima de cada bolha é medida. Método de queda de volume: Um método para determinar a tensão interfacial em função da idade da interface. O líquido de uma densidade é bombeado para um segundo líquido de densidade diferente e o tempo entre as gotas produzidas é medido. Método de ascensão capilar: O fim de um capilar está imerso na solução. A altura em que a solução atinge o interior do capilar está relacionada com a tensão superficial pela equação discutida abaixo. Método estalagmométrico: Um método de pesagem e leitura de uma gota de líquido. Método de gota sésseis: Um método para determinar a tensão e densidade da superfície, colocando uma gota sobre um substrato e medindo o ângulo de contato (ver técnica de gota Sessile). Freqüência vibracional de quedas levitadas: A tensão superficial do superfluido 4He foi medida pelo estudo da freqüência natural das oscilações vibracionais das gotas mantidas no ar por magnetismo. Este valor é estimado em 0,375 dyn/cm a T = 0° K.

A tensão superficial pode ser medida usando o método de queda pendente em um goniômetro.

Efeitos

Líquido em um tubo vertical

Um barômetro de mercúrio estilo antigo consiste em um tubo de vidro vertical com cerca de 1 cm de diâmetro parcialmente preenchido com mercúrio, e com um vácuo (chamado vácuo de Torricelli) no volume não preenchido (ver diagrama à direita). Observe que o nível de mercúrio no centro do tubo é mais alto do que nas bordas, fazendo com que a superfície superior do tubo de mercúrio tenha a forma de uma cúpula. O centro de massa de toda a coluna de mercúrio seria ligeiramente inferior se a superfície superior do mercúrio fosse plana sobre toda a seção transversal do tubo. Mas o topo em forma de cúpula dá um pouco menos de área de superfície a toda a massa de mercúrio. Novamente, os dois efeitos se combinam para minimizar a energia potencial total. Tal forma de superfície é conhecida como menisco convexo.

Consideramos a área da superfície de toda a massa de mercúrio, incluindo a parte da superfície que está em contato com o vidro, porque o mercúrio não adere de forma alguma ao vidro. Portanto, a tensão superficial do mercúrio atua sobre toda a sua superfície, inclusive onde está em contato com o vidro. Se ao invés de vidro, o tubo fosse feito de cobre, a situação seria muito diferente. O mercúrio adere agressivamente ao cobre. Assim, em um tubo de cobre, o nível de mercúrio no centro do tubo será menor que nas bordas (ou seja, seria um menisco côncavo). Numa situação em que o líquido adere às paredes de seu recipiente, consideramos que a parte da superfície do líquido que está em contato com o recipiente tem tensão superficial negativa. O fluido então trabalha para maximizar a área da superfície de contato. Assim, neste caso, o aumento da área em contato com o recipiente diminui em vez de aumentar a energia potencial. Essa diminuição é suficiente para compensar o aumento da energia potencial associada à elevação do fluido perto das paredes do recipiente.

Se um tubo for suficientemente estreito e a aderência do líquido a suas paredes for suficientemente forte, a tensão superficial pode absorver o líquido no tubo em um fenômeno conhecido como ação capilar. A altura a que a coluna é levantada é dada por:

Os custos de produção $h\ =\ {\frac {2\gamma _{\mathrm {la} }\cos \theta }{\rho gr}}$

onde

· h estilo de escrita h $\scriptstyle h$ é a altura em que o líquido é levantado,

· γ l a {\i1}l a {\i1}displaystyle {\i}scriptstyle {\i}gamma _{\i1}mathrm }} $\scriptstyle \gamma _{\mathrm {la} }$ é a tensão de superfície líquido-ar,

· r estilo de escrita r $\scriptstyle r$ é o raio do capilar,

· g $\scriptstyle g$ é a aceleração devido à gravidade,

· θ {{\i1}estilo $\scriptstyle \theta$ de escrita é o ângulo de contato descrito acima. Se o θ estilo de texto $\scriptstyle \theta$ é maior que 90°, como no caso do mercúrio em um recipiente de vidro, o líquido será deprimido em vez de levantado.

Puddles em uma superfície

Verter mercúrio sobre uma folha de vidro plana horizontal resulta em uma poça que tem uma espessura perceptível. A poça se espalhará apenas até o ponto em que tenha um pouco menos de meio centímetro de espessura, e não mais fina. Novamente, isto se deve à ação da forte tensão superficial do mercúrio. A massa líquida se aplana porque isso eleva o máximo possível o mercúrio a um nível baixo, mas a tensão superficial, ao mesmo tempo, está agindo para reduzir a área total da superfície. O resultado é o compromisso de uma poça de uma espessura quase fixa.

A mesma demonstração de tensão superficial pode ser feita com água, água com cal ou mesmo salina, mas somente se o líquido não aderir ao material da superfície plana. A cera é uma dessas substâncias. A água derramada sobre uma superfície lisa, plana e horizontal de cera, digamos, uma folha de vidro encerado, terá um comportamento semelhante ao do mercúrio derramado sobre o vidro.

A espessura de uma poça de líquido em uma superfície cujo ângulo de contato é de 180° é dada por:

h = 2 γ g ρ h = 2qrt {\frac {\frac {\frac }gamma }}}} $h\ =\ 2{\sqrt {\frac {\gamma }{g\rho }}}$

onde

h estilo de escrita h $\scriptstyle h$ é a profundidade da poça em centímetros ou metros.

γ {{\i1}displaystyle {\i}scriptstyle {\i} $\scriptstyle \gamma$ é a tensão superficial do líquido em dinastias por centímetro ou newtons por metro.

g g $\scriptstyle g$ é a aceleração devido à gravidade e é igual a 980 cm/s2 ou 9,8 m/s2

ρ {\i1}displaystyle {\i1}scriptstyle {\i} $\scriptstyle \rho$ é a densidade do líquido em gramas por centímetro cúbico ou quilograma por metro cúbico

Na realidade, a espessura das poças será um pouco menor do que o previsto pela fórmula acima porque muito poucas superfícies têm um ângulo de contato de 180° com qualquer líquido. Quando o ângulo de contato é inferior a 180°, a espessura é dada por:

h = 2 γ l a ( 1 - cos θ ) g ρ . h = =sqrt {2}frac {2}gamma _mathrm esquerda(1-cos-direita) } $h\ =\ {\sqrt {\frac {2\gamma _{\mathrm {la} }\left(1-\cos \theta \right)}{g\rho }}}.$

Para mercúrio sobre vidro, _γHg = 487 dyn/cm, _ρHg = 13,5 g/cm3 e θ = 140°, o que dá hHg = 0,36 cm. Para água em parafina a 25 °C, γ = 72 dyn/cm, ρ = 1,0 g/cm3, e θ = 107°, o que dá hH2O = 0,44 cm.

A fórmula também prevê que quando o ângulo de contato for de 0°, o líquido se espalhará em uma camada micro fina sobre a superfície. Diz-se que tal superfície é totalmente molhável pelo líquido.

A quebra dos fluxos em gotas

No dia-a-dia, todos nós observamos que uma corrente de água emergindo de uma torneira se quebrará em gotículas, por mais suave que a corrente seja emitida da torneira. Isto é devido a um fenômeno chamado instabilidade Plateau-Rayleigh, que é inteiramente uma conseqüência dos efeitos da tensão superficial.

A explicação desta instabilidade começa com a existência de pequenas perturbações no riacho. Estas estão sempre presentes, por mais suave que seja o riacho. Se as perturbações são resolvidas em componentes sinusoidais, descobrimos que alguns componentes crescem com o tempo enquanto outros decaem com o tempo. Entre aqueles que crescem com o tempo, alguns crescem a taxas mais rápidas do que outros. Se um componente se decompõe ou cresce, e quão rápido ele cresce é inteiramente uma função de seu número de ondas (uma medida de quantos picos e canais por centímetro) e dos raios do fluxo cilíndrico original.

Ilustração de ascensão e queda capilar. Vermelho=ângulo de contato inferior a 90°; azul=ângulo de contato superior a 90°.

Curva de perfil da borda de uma poça onde o ângulo de contato é de 180°. A curva é dada pela fórmula: x - x 0 = 1 2 H cosh - 1 ( H h ) - H 1 - h 2 H 2 {\i1}displaystyle x-x_{\i} = {\i1}frac {\i}Hrac ^{-1}esquerda(1}frac {\i}{\i}{\i}-

Pequenas poças de água em uma superfície lisa e limpa têm espessura perceptível.

Ilustração de como um menor ângulo de contato leva à redução da profundidade da poça

Tabela de dados

A tensão superficial de vários líquidos em dyn/cm contra airMixture %'s são por massdyn/cm é equivalente às unidades SI de mN/m (milli-Newton por metro)
Líquido	Temperatura °C	Tensão superficial, γ
Ácido acético	20	27.6
Ácido acético (40,1%) + Água	30	40.68
Ácido acético (10,0%) + Água	30	54.56
Acetona	20	23.7
Éter dietílico	20	17.0
Etanol	20	22.27
Etanol (40%) + Água	25	29.63
Etanol (11,1%) + Água	25	46.03
Glicerol	20	63
n-Hexano	20	18.4
Ácido clorídrico 17,7M solução aquosa	20	65.95
Isopropanol	20	21.7
Nitrogênio Líquido	-196	8.85
Mercúrio	15	487
Metanol	20	22.6
n-Octane	20	21.8
Solução aquosa de cloreto de sódio 6,0M	20	82.55
Sacarose (55%) + água	20	76.45
Água	0	75.64
Água	25	71.97
Água	50	67.91
Água	100	58.85

Galeria de efeitos

Quebra de um lençol de água em movimento que salta de uma colher.

Foto de água corrente aderindo a uma mão. A tensão superficial cria a folha de água entre o fluxo e a mão.

Uma bolha de sabão equilibra as forças de tensão superficial contra a pressão pneumática interna.

A tensão superficial impede que uma moeda se afunde: a moeda é indiscutivelmente mais densa do que a água, por isso deve estar deslocando um volume maior do que o seu próprio para que a flutuação equilibre a massa.

Uma margarida. A totalidade da flor está abaixo do nível da superfície livre (não perturbada). A água se eleva suavemente ao redor de sua borda. A tensão superficial impede que a água preencha o ar entre as pétalas e possivelmente submerja a flor.

Um clipe de papel metálico flutua na água. Vários podem ser adicionados cuidadosamente sem transbordamento de água.

Uma moeda de alumínio flutua sobre a superfície da água a 10 °C. Qualquer peso extra deixaria a moeda cair para o fundo.

Perguntas e Respostas

P: O que é tensão superficial?

R: A tensão superficial é um efeito onde a superfície de um líquido é forte, e pode aguentar um peso. Ela faz com que algumas pequenas coisas possam flutuar na superfície, embora normalmente não possam, e permite que alguns insetos (por exemplo, os aríetes de água) corram na superfície da água.

P: O que causa tensão na superfície?

R: A tensão superficial é causada pelas moléculas do líquido que estão sendo atraídas umas pelas outras (coesão).

P: Quais são as dimensões da tensão superficial?

R: A tensão superficial tem a dimensão de força por unidade de comprimento, ou de energia por unidade de área. As duas são equivalentes - mas quando se refere à energia por unidade de área, as pessoas usam o termo energia de superfície - que é um termo mais geral no sentido de que se aplica também aos sólidos e não apenas aos líquidos.

P: Como a tensão superficial afeta a ciência dos materiais?

R: Na ciência dos materiais, a tensão superficial é usada tanto para a tensão superficial quanto para a energia livre da superfície.

P: Como a coesão contribui para a tensão superficial?

R: A coesão contribui para a tensão superficial ao fazer com que moléculas de um líquido sejam atraídas juntas, o que cria uma forte ligação em suas superfícies que pode aguentar o peso e permitir que certos objetos ou criaturas (por exemplo, os estranguladores de água) interajam com ela de maneira diferente do que eles também seriam capazes de fazer.

P: Como essa propriedade se diferencia de outras propriedades dos líquidos?

R: Essa propriedade difere de outras propriedades dos líquidos porque afeta como os objetos interagem com eles em suas superfícies e não dentro delas ou através de seu comportamento a granel como um todo.