Força que atua ao longo de uma linha na superfície do líquido

Medida em newtons por metro (N/m) ou dinas por centímetro (dyn/cm). Se imaginar uma moldura com um lado móvel em contacto com uma película líquida, a tensão superficial é a força que puxa esse lado dividida pelo seu comprimento. Esta é a definição mecânica.

Fórmula: γ = F/L onde F = força, L = comprimento da aresta

Exemplo: Água a 20°C = 72.8 mN/m significa 0.0728 N de força por metro de aresta

Energia necessária para criar uma nova área de superfície

Medida em joules por metro quadrado (J/m²) ou ergs por centímetro quadrado (erg/cm²). A criação de uma nova área de superfície requer trabalho contra as forças intermoleculares. Numericamente idêntica à tensão superficial, mas representa a perspetiva da energia em vez da perspetiva da força.

Fórmula: γ = E/A onde E = energia, A = aumento da área de superfície

Exemplo: Água a 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (mesmo número, dupla interpretação)

As forças intermoleculares determinam o comportamento da superfície

Coesão: atração entre moléculas semelhantes (líquido-líquido). Adesão: atração entre moléculas diferentes (líquido-sólido). Alta coesão → alta tensão superficial → as gotículas formam esferas. Alta adesão → o líquido espalha-se (molhagem). O equilíbrio determina o ângulo de contacto e a ação capilar.

Ângulo de contacto θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (equação de Young)

Exemplo: A água em vidro tem um θ baixo (adesão > coesão) → espalha-se. O mercúrio em vidro tem um θ alto (coesão >> adesão) → forma esferas.

Primeiras experiências quantitativas sobre a tensão superficial

O físico alemão Segner estudou agulhas flutuantes e observou que as superfícies da água se comportam como membranas esticadas. Ele calculou as forças, mas não tinha uma teoria molecular para explicar o fenómeno.

Equação de Young para o ângulo de contacto

O polímata britânico Young derivou a relação entre a tensão superficial, o ângulo de contacto e a molhagem: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Esta equação fundamental ainda é usada hoje em dia na ciência dos materiais e na microfluídica.

Equação de Young-Laplace para a pressão

Laplace derivou ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), mostrando que as interfaces curvas têm diferenças de pressão. Explica porque é que as bolhas pequenas têm uma pressão interna maior do que as grandes – o que é fundamental para a compreensão da fisiologia pulmonar e da estabilidade das emulsões.

Teoria molecular da tensão superficial

O físico holandês van der Waals explicou a tensão superficial usando as forças intermoleculares. O seu trabalho sobre a atração molecular valeu-lhe o Prémio Nobel em 1910 e lançou as bases para a compreensão da capilaridade, da adesão e do ponto crítico.

Monocamadas e química de superfícies

Langmuir estudou os filmes moleculares nas superfícies da água, criando o campo da química de superfícies. O seu trabalho sobre surfactantes, adsorção e orientação molecular valeu-lhe o Prémio Nobel em 1932. Os filmes de Langmuir-Blodgett têm o seu nome.

A tensão superficial determina a molhagem, a propagação e a adesão:

• Formulação de tintas: Ajuste γ para 25-35 mN/m para uma propagação ótima em substratos
• Impressão a jato de tinta: A tinta deve ter γ < do substrato para molhagem (tipicamente 25-40 mN/m)
• Tratamento corona: Aumenta a energia de superfície do polímero de 30 → 50+ mN/m para adesão
• Revestimentos em pó: A baixa tensão superficial ajuda no nivelamento e no desenvolvimento do brilho
• Revestimentos anti-graffiti: Um γ baixo (15-20 mN/m) impede a adesão da tinta
• Controlo de qualidade: Tensiômetro de anel de du Noüy para consistência entre lotes

Os detergentes funcionam reduzindo a tensão superficial:

• Água pura: γ = 72.8 mN/m (não penetra bem nos tecidos)
• Água + sabão: γ = 25-30 mN/m (penetra, molha, remove óleo)
• Concentração Micelar Crítica (CMC): γ desce abruptamente até à CMC, depois estabiliza
• Agentes de molhagem: Os produtos de limpeza industriais reduzem γ para <30 mN/m
• Líquido da loiça: Formulado para γ ≈ 27-30 mN/m para remoção de gordura
• Pulverizadores de pesticidas: Adicione surfactantes para reduzir γ para uma melhor cobertura das folhas

A tensão interfacial entre o petróleo e a água afeta a extração:

• Tensão interfacial óleo-água: Tipicamente 20-50 mN/m
• Recuperação Melhorada de Petróleo (EOR): Injete surfactantes para reduzir γ para <0.01 mN/m
• Baixo γ → as gotículas de óleo emulsionam → fluem através da rocha porosa → recuperação aumentada
• Caracterização do crude: O teor de aromáticos afeta a tensão superficial
• Fluxo em oleodutos: Um γ mais baixo reduz a estabilidade da emulsão, ajuda na separação
• O método da gota pendente mede γ à temperatura/pressão do reservatório

A tensão superficial é fundamental para os processos vitais:

• Surfactante pulmonar: Reduz a γ alveolar de 70 para 25 mN/m, impedindo o colapso
• Bebés prematuros: Síndrome de dificuldade respiratória devido a surfactante insuficiente
• Membranas celulares: γ da bicamada lipídica ≈ 0.1-2 mN/m (muito baixo para flexibilidade)
• Plasma sanguíneo: γ ≈ 50-60 mN/m, aumentado em doenças (diabetes, aterosclerose)
• Filme lacrimal: Estrutura multicamada com uma camada lipídica que reduz a evaporação
• Respiração de insetos: O sistema traqueal depende da tensão superficial para impedir a entrada de água

Os insetos de água (Gerridae) exploram a alta tensão superficial da água (72.8 mN/m) para suportar 15 vezes o seu peso corporal. As suas pernas são revestidas com pelos cerosos que são super-hidrofóbicos (ângulo de contacto >150°). Cada perna cria uma pequena depressão na superfície da água, e a tensão superficial fornece a força ascendente. Se adicionar sabão (reduzindo γ para 30 mN/m), eles afundam-se imediatamente!

A tensão superficial atua para minimizar a área de superfície para um determinado volume. A esfera tem a área de superfície mínima para qualquer volume (desigualdade isoperimétrica). As bolhas de sabão demonstram isto lindamente: o ar no interior empurra para fora, a tensão superficial puxa para dentro, e o equilíbrio cria uma esfera perfeita. As bolhas não esféricas (como as cúbicas em armações de arame) têm uma energia mais alta e são instáveis.

Os pulmões dos recém-nascidos contêm surfactante pulmonar (fosfolípidos + proteínas) que reduz a tensão superficial alveolar de 70 para 25 mN/m. Sem ele, os alvéolos colapsam durante a expiração (atelectasia). Os bebés prematuros não têm surfactante suficiente, o que causa a Síndrome de Dificuldade Respiratória (SDR). Antes da terapia com surfactante sintético (década de 1990), a SDR era uma das principais causas de morte neonatal. Agora, as taxas de sobrevivência excedem os 95%.

Deite vinho num copo e observe: formam-se gotículas nos lados, sobem e voltam a cair – as 'lágrimas do vinho'. Este é o efeito Marangoni: o álcool evapora mais rapidamente do que a água, criando gradientes de tensão superficial (γ varia espacialmente). O líquido flui de regiões de baixo γ para regiões de alto γ, puxando o vinho para cima. Quando as gotículas se tornam suficientemente pesadas, a gravidade vence e elas caem. Os fluxos de Marangoni são fundamentais na soldadura, nos revestimentos e no crescimento de cristais.

As moléculas de sabão são anfifílicas: cauda hidrofóbica (odeia água) + cabeça hidrofílica (ama água). Em solução, as caudas projetam-se para fora da superfície da água, perturbando as ligações de hidrogénio e reduzindo γ de 72 para 25-30 mN/m. Na Concentração Micelar Crítica (CMC), as moléculas formam micelas esféricas com as caudas no interior (aprisionando o óleo) e as cabeças no exterior. É por isso que o sabão remove a gordura: o óleo é solubilizado dentro das micelas e lavado.

Deixe cair um cristal de cânfora na água e ele irá deslocar-se pela superfície como um pequeno barco. A cânfora dissolve-se assimetricamente, criando um gradiente de tensão superficial (γ mais alto atrás, mais baixo à frente). A superfície puxa o cristal em direção a regiões de alto γ – um motor de tensão superficial! Isto foi demonstrado pelo físico C.V. Boys em 1890. Os químicos modernos usam uma propulsão Marangoni semelhante para microrrobôs e veículos de entrega de medicamentos.

Esta é uma relação termodinâmica fundamental, não uma coincidência. Dimensionalmente: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² e [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Elas têm dimensões base idênticas! Fisicamente: criar 1 m² de nova superfície requer trabalho = força × distância = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Portanto, γ medido como força/comprimento é igual a γ medido como energia/área. Água a 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (mesmo número, dupla interpretação).

Coesão: atração entre moléculas semelhantes (água-água). Adesão: atração entre moléculas diferentes (água-vidro). Alta coesão → alta tensão superficial → as gotículas formam esferas (mercúrio em vidro). Alta adesão em relação à coesão → o líquido espalha-se (água em vidro limpo). O equilíbrio determina o ângulo de contacto θ através da equação de Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. A molhagem ocorre quando θ < 90°; a formação de esferas quando θ > 90°. As superfícies super-hidrofóbicas (folha de lótus) têm θ > 150°.

As moléculas de sabão são anfifílicas: cauda hidrofóbica + cabeça hidrofílica. Na interface água-ar, as caudas orientam-se para fora (evitando a água), e as cabeças para dentro (atraídas pela água). Isto perturba as ligações de hidrogénio entre as moléculas de água na superfície, reduzindo a tensão superficial de 72.8 para 25-30 mN/m. Uma γ mais baixa permite que a água molhe os tecidos e penetre na gordura. Na Concentração Micelar Crítica (CMC, tipicamente 0.1-1%), as moléculas formam micelas que solubilizam o óleo.

Uma temperatura mais alta dá às moléculas mais energia cinética, enfraquecendo as atrações intermoleculares (ligações de hidrogénio, forças de van der Waals). As moléculas da superfície têm uma força líquida para dentro menor → tensão superficial mais baixa. Para a água: γ diminui ~0.15 mN/m por °C. Na temperatura crítica (374°C para a água, 647 K), a distinção líquido-gás desaparece e γ → 0. A regra de Eötvös quantifica isto: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) onde V = volume molar, T_c = temperatura crítica.

Quatro métodos principais: (1) Anel de du Noüy: Um anel de platina é puxado da superfície, a força é medida (o mais comum, ±0.1 mN/m). (2) Placa de Wilhelmy: Uma placa fina suspensa a tocar na superfície, a força é medida continuamente (a mais alta precisão, ±0.01 mN/m). (3) Gota pendente: A forma da gota é analisada oticamente usando a equação de Young-Laplace (funciona a altas T/P). (4) Ascensão capilar: O líquido sobe num tubo estreito, a altura é medida: γ = ρghr/(2cosθ) onde ρ = densidade, h = altura, r = raio, θ = ângulo de contacto.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) descreve a diferença de pressão através de uma interface curva. R₁ e R₂ são os raios de curvatura principais. Para uma esfera (bolha, gota): ΔP = 2γ/R. As bolhas pequenas têm uma pressão interna maior do que as grandes. Exemplo: uma gota de água de 1 mm tem ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Isto explica porque é que as bolhas pequenas na espuma encolhem (o gás difunde-se das pequenas para as grandes) e porque é que os alvéolos pulmonares precisam de surfactante (reduz γ para que não colapsem).

Mercúrio: Coesão forte (ligações metálicas, γ = 486 mN/m) >> adesão fraca ao vidro → ângulo de contacto θ ≈ 140° → forma esferas. Água: Coesão moderada (ligações de hidrogénio, γ = 72.8 mN/m) < adesão forte ao vidro (ligações de hidrogénio com os grupos -OH da superfície) → θ ≈ 0-20° → espalha-se. Equação de Young: cos θ = (γ_sólido-vapor - γ_sólido-líquido)/γ_líquido-vapor. Quando a adesão > coesão, cos θ > 0, logo θ < 90° (molhagem).

Não. A tensão superficial é sempre positiva—representa o custo energético para criar uma nova área de superfície. Uma γ negativa significaria que as superfícies se expandiriam espontaneamente, violando a termodinâmica (a entropia aumenta, mas a fase de volume é mais estável). No entanto, a tensão interfacial entre dois líquidos pode ser muito baixa (próxima de zero): na recuperação melhorada de petróleo, os surfactantes reduzem a γ óleo-água para <0.01 mN/m, causando emulsificação espontânea. No ponto crítico, γ = 0 exatamente (a distinção líquido-gás desaparece).