Força que actua al llarg d'una línia a la superfície del líquid

Es mesura en newtons per metre (N/m) o dines per centímetre (dyn/cm). Si us imagineu un marc amb un costat mòbil en contacte amb una pel·lícula líquida, la tensió superficial és la força que estira aquest costat dividida per la seva longitud. Aquesta és la definició mecànica.

Fórmula: γ = F/L on F = força, L = longitud de la vora

Exemple: Aigua a 20°C = 72.8 mN/m significa 0.0728 N de força per metre de vora

Energia necessària per crear una nova àrea superficial

Es mesura en joules per metre quadrat (J/m²) o ergs per centímetre quadrat (erg/cm²). Crear una nova àrea superficial requereix treball contra les forces intermoleculars. És numèricament idèntica a la tensió superficial però representa la perspectiva de l'energia en lloc de la perspectiva de la força.

Fórmula: γ = E/A on E = energia, A = augment de l'àrea superficial

Exemple: Aigua a 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (mateix número, doble interpretació)

Les forces intermoleculars determinen el comportament de la superfície

Cohesió: atracció entre molècules iguals (líquid-líquid). Adhesió: atracció entre molècules diferents (líquid-sòlid). Alta cohesió → alta tensió superficial → les gotes s'agrupen. Alta adhesió → el líquid s'escampa (mullat). L'equilibri determina l'angle de contacte i l'acció capil·lar.

Angle de contacte θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (equació de Young)

Exemple: L'aigua sobre vidre té un θ baix (adhesió > cohesió) → s'escampa. El mercuri sobre vidre té un θ alt (cohesió >> adhesió) → s'agrupa en gotes.

Primers experiments quantitatius sobre la tensió superficial

El físic alemany Segner va estudiar les agulles flotants i va observar que les superfícies de l'aigua es comporten com membranes estirades. Va calcular forces però no tenia una teoria molecular per explicar el fenomen.

Equació de Young per a l'angle de contacte

El polímata britànic Young va derivar la relació entre la tensió superficial, l'angle de contacte i el mullat: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Aquesta equació fonamental encara s'utilitza avui en ciència de materials i microfluídica.

Equació de Young-Laplace per a la pressió

Laplace va derivar ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) mostrant que les interfícies corbes tenen diferències de pressió. Explica per què les bombolles petites tenen una pressió interna més alta que les grans, la qual cosa és crítica per entendre la fisiologia pulmonar i l'estabilitat de les emulsions.

Teoria molecular de la tensió superficial

El físic holandès van der Waals va explicar la tensió superficial utilitzant les forces intermoleculars. El seu treball sobre l'atracció molecular li va valer el Premi Nobel de 1910 i va establir les bases per entendre la capil·laritat, l'adhesió i el punt crític.

Monocapes i química de superfícies

Langmuir va estudiar les pel·lícules moleculars sobre les superfícies de l'aigua, creant el camp de la química de superfícies. El seu treball sobre tensioactius, adsorció i orientació molecular li va valer el Premi Nobel de 1932. Les pel·lícules de Langmuir-Blodgett porten el seu nom.

La tensió superficial determina el mullat, l'escampament i l'adhesió:

• Formulació de pintures: Ajusteu γ a 25-35 mN/m per a un escampament òptim sobre substrats
• Impressió d'injecció de tinta: La tinta ha de tenir γ < substrat per al mullat (típic 25-40 mN/m)
• Tractament corona: Augmenta l'energia superficial del polímer de 30 → 50+ mN/m per a l'adhesió
• Recobriments en pols: La baixa tensió superficial ajuda a l'anivellament i al desenvolupament de la brillantor
• Recobriments anti-graffiti: Un γ baix (15-20 mN/m) evita l'adhesió de la pintura
• Control de qualitat: Tensiòmetre d'anell de du Noüy per a la consistència entre lots

Els detergents funcionen reduint la tensió superficial:

• Aigua pura: γ = 72.8 mN/m (no penetra bé en els teixits)
• Aigua + sabó: γ = 25-30 mN/m (penetra, mulla, elimina l'oli)
• Concentració Micel·lar Crítica (CMC): γ cau bruscament fins a la CMC, i després s'estabilitza
• Agents humectants: Els netejadors industrials redueixen γ a <30 mN/m
• Líquid rentavaixelles: Formulat a γ ≈ 27-30 mN/m per eliminar el greix
• Polvoritzadors de pesticides: Afegeixen tensioactius per reduir γ per a una millor cobertura de les fulles

La tensió interfacial entre el petroli i l'aigua afecta l'extracció:

• Tensió interfacial petroli-aigua: Típicament 20-50 mN/m
• Recuperació millorada de petroli (EOR): Injecteu tensioactius per reduir γ a <0.01 mN/m
• Un γ baix → les gotes de petroli s'emulsionen → flueixen a través de la roca porosa → recuperació augmentada
• Caracterització del cru: El contingut d'aromàtics afecta la tensió superficial
• Flux en canonades: Un γ més baix redueix l'estabilitat de l'emulsió, ajuda a la separació
• El mètode de la gota penjant mesura γ a la temperatura/pressió del jaciment

La tensió superficial és crítica per als processos vitals:

• Tensioactiu pulmonar: Redueix la γ alveolar de 70 a 25 mN/m, evitant el col·lapse
• Nadons prematurs: Síndrome de dificultat respiratòria per insuficiència de tensioactiu
• Membranes cel·lulars: γ de la bicapa lipídica ≈ 0.1-2 mN/m (molt baixa per a la flexibilitat)
• Plasma sanguini: γ ≈ 50-60 mN/m, augmenta en malalties (diabetis, aterosclerosi)
• Pel·lícula lacrimal: Estructura multicapa amb una capa lipídica que redueix l'evaporació
• Respiració dels insectes: El sistema traqueal depèn de la tensió superficial per evitar l'entrada d'aigua

Els sabaters (Gerridae) aprofiten l'alta tensió superficial de l'aigua (72.8 mN/m) per suportar 15 vegades el seu pes corporal. Les seves potes estan cobertes de pèls cerosos que són superhidrofòbics (angle de contacte >150°). Cada pota crea un clotet a la superfície de l'aigua, i la tensió superficial proporciona la força ascendent. Si hi afegiu sabó (reduint γ a 30 mN/m), s'enfonsen immediatament!

La tensió superficial actua per minimitzar l'àrea superficial per a un volum donat. L'esfera té l'àrea superficial mínima per a qualsevol volum (desigualtat isoperimètrica). Les bombolles de sabó ho demostren meravellosament: l'aire de dins empeny cap a fora, la tensió superficial estira cap a dins, i l'equilibri crea una esfera perfecta. Les bombolles no esfèriques (com les cúbiques en marcs de filferro) tenen més energia i són inestables.

Els pulmons dels nounats contenen tensioactiu pulmonar (fosfolípids + proteïnes) que redueix la tensió superficial alveolar de 70 a 25 mN/m. Sense ell, els alvèols es col·lapsen durant l'exhalació (atelectàsia). Els nadons prematurs no tenen prou tensioactiu, la qual cosa causa la Síndrome de Dificultat Respiratòria (SDR). Abans de la teràpia amb tensioactiu sintètic (dècada de 1990), la SDR era una de les principals causes de mort neonatal. Ara, les taxes de supervivència superen el 95%.

Aboqueu vi en una copa i observeu: es formen gotes als costats, pugen cap amunt i tornen a caure—les 'llàgrimes del vi'. Aquest és l'efecte Marangoni: l'alcohol s'evapora més ràpid que l'aigua, creant gradients de tensió superficial (γ varia espacialment). El líquid flueix de regions de baixa γ a regions d'alta γ, estirant el vi cap amunt. Quan les gotes es fan prou pesades, la gravetat guanya i cauen. Els fluxos de Marangoni són crítics en soldadura, recobriments i creixement de cristalls.

Les molècules de sabó són amfifíliques: cua hidrofòbica (odia l'aigua) + cap hidrofílic (estima l'aigua). En solució, les cues sobresurten de la superfície de l'aigua, alterant els enllaços d'hidrogen i reduint γ de 72 a 25-30 mN/m. A la Concentració Micel·lar Crítica (CMC), les molècules formen micel·les esfèriques amb les cues a dins (atrapant l'oli) i els caps a fora. Per això el sabó elimina el greix: l'oli se solubilitza dins de les micel·les i s'esbandeix.

Deixeu caure un cristall de càmfora sobre l'aigua i es mourà per la superfície com un petit vaixell. La càmfora es dissol asimètricament, creant un gradient de tensió superficial (γ més alta darrere, més baixa davant). La superfície estira el cristall cap a les regions d'alta γ—un motor de tensió superficial! Això va ser demostrat pel físic C.V. Boys el 1890. Els químics moderns utilitzen una propulsió Marangoni similar per a microrobots i vehicles de lliurament de fàrmacs.

Aquesta és una relació termodinàmica fonamental, no una coincidència. Dimensionalment: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² i [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Tenen dimensions base idèntiques! Físicament: crear 1 m² de nova superfície requereix un treball = força × distància = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Així que γ mesurada com a força/longitud és igual a γ mesurada com a energia/àrea. Aigua a 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (mateix número, doble interpretació).

Cohesió: atracció entre molècules iguals (aigua-aigua). Adhesió: atracció entre molècules diferents (aigua-vidre). Alta cohesió → alta tensió superficial → les gotes s'agrupen (mercuri sobre vidre). Alta adhesió en relació amb la cohesió → el líquid s'escampa (aigua sobre vidre net). L'equilibri determina l'angle de contacte θ mitjançant l'equació de Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. El mullat es produeix quan θ < 90°; l'agrupació en gotes quan θ > 90°. Les superfícies superhidrofòbiques (fulla de lotus) tenen θ > 150°.

Les molècules de sabó són amfifíliques: cua hidrofòbica + cap hidrofílic. A la interfície aigua-aire, les cues s'orienten cap a fora (evitant l'aigua), i els caps cap a dins (atrets per l'aigua). Això altera els enllaços d'hidrogen entre les molècules d'aigua a la superfície, reduint la tensió superficial de 72.8 a 25-30 mN/m. Un γ més baix permet que l'aigua mulli els teixits i penetri en el greix. A la Concentració Micel·lar Crítica (CMC, típicament 0.1-1%), les molècules formen micel·les que solubilitzen l'oli.

Una temperatura més alta dona a les molècules més energia cinètica, debilitant les atraccions intermoleculars (enllaços d'hidrogen, forces de van der Waals). Les molècules de la superfície tenen menys estirada neta cap a l'interior → menor tensió superficial. Per a l'aigua: γ disminueix ~0.15 mN/m per °C. A la temperatura crítica (374°C per a l'aigua, 647 K), la distinció líquid-gas desapareix i γ → 0. La regla d'Eötvös ho quantifica: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) on V = volum molar, T_c = temperatura crítica.

Quatre mètodes principals: (1) Anell de du Noüy: Un anell de platí s'estira des de la superfície, es mesura la força (el més comú, ±0.1 mN/m). (2) Placa de Wilhelmy: Una placa prima suspesa que toca la superfície, es mesura la força contínuament (la més alta precisió, ±0.01 mN/m). (3) Gota penjant: La forma de la gota s'analitza òpticament utilitzant l'equació de Young-Laplace (funciona a altes T/P). (4) Ascens capil·lar: El líquid puja per un tub estret, es mesura l'alçada: γ = ρghr/(2cosθ) on ρ = densitat, h = alçada, r = radi, θ = angle de contacte.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) descriu la diferència de pressió a través d'una interfície corba. R₁ i R₂ són els radis principals de curvatura. Per a una esfera (bombolla, gota): ΔP = 2γ/R. Les bombolles petites tenen una pressió interna més alta que les grans. Exemple: una gota d'aigua d'1 mm té ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Això explica per què les bombolles petites en una escuma s'encongeixen (el gas es difon de les petites a les grans) i per què els alvèols pulmonars necessiten tensioactiu (redueix γ perquè no es col·lapsin).

Mercuri: Cohesió forta (enllaços metàl·lics, γ = 486 mN/m) >> adhesió feble al vidre → angle de contacte θ ≈ 140° → s'agrupa en gotes. Aigua: Cohesió moderada (enllaços d'hidrogen, γ = 72.8 mN/m) < adhesió forta al vidre (enllaços d'hidrogen amb els grups -OH de la superfície) → θ ≈ 0-20° → s'escampa. Equació de Young: cos θ = (γ_sòlid-vapor - γ_sòlid-líquid)/γ_líquid-vapor. Quan l'adhesió > cohesió, cos θ > 0, per tant θ < 90° (mullat).

No. La tensió superficial sempre és positiva—representa el cost energètic de crear una nova àrea superficial. Un γ negatiu significaria que les superfícies s'expandirien espontàniament, violant la termodinàmica (l'entropia augmenta, però la fase de volum és més estable). No obstant això, la tensió interfacial entre dos líquids pot ser molt baixa (gairebé zero): en la recuperació millorada de petroli, els tensioactius redueixen la γ oli-aigua a <0.01 mN/m, provocant una emulsió espontània. Al punt crític, γ = 0 exactament (la distinció líquid-gas desapareix).