Forța care acționează de-a lungul unei linii pe suprafața lichidului

Măsurată în newtoni pe metru (N/m) sau dine pe centimetru (dyn/cm). Dacă vă imaginați un cadru cu o latură mobilă în contact cu o peliculă lichidă, tensiunea superficială este forța care trage de acea latură împărțită la lungimea sa. Aceasta este definiția mecanică.

Formula: γ = F/L unde F = forța, L = lungimea muchiei

Exemplu: Apă @ 20°C = 72.8 mN/m înseamnă o forță de 0.0728 N pe metru de muchie

Energia necesară pentru a crea o nouă arie de suprafață

Măsurată în jouli pe metru pătrat (J/m²) sau ergi pe centimetru pătrat (erg/cm²). Crearea unei noi arii de suprafață necesită lucru mecanic împotriva forțelor intermoleculare. Numeric identică cu tensiunea superficială, dar reprezintă perspectiva energetică în loc de cea a forței.

Formula: γ = E/A unde E = energia, A = creșterea ariei suprafeței

Exemplu: Apă @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (același număr, interpretare duală)

Forțele intermoleculare determină comportamentul suprafeței

Coeziune: atracția între molecule de același tip (lichid-lichid). Adeziune: atracția între molecule de tipuri diferite (lichid-solid). Coeziune ridicată → tensiune superficială ridicată → picăturile se adună. Adeziune ridicată → lichidul se întinde (udare). Echilibrul determină unghiul de contact și acțiunea capilară.

Unghiul de contact θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (ecuația lui Young)

Exemplu: Apa pe sticlă are un θ redus (adeziune > coeziune) → se întinde. Mercurul pe sticlă are un θ ridicat (coeziune >> adeziune) → se adună în picături.

Primele experimente cantitative privind tensiunea superficială

Fizicianul german Segner a studiat acele plutitoare și a observat că suprafețele apei se comportă ca niște membrane întinse. El a calculat forțele, dar îi lipsea teoria moleculară pentru a explica fenomenul.

Ecuația lui Young pentru unghiul de contact

Polimatul britanic Young a derivat relația dintre tensiunea superficială, unghiul de contact și udare: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Această ecuație fundamentală este încă folosită astăzi în știința materialelor și microfluidică.

Ecuația Young-Laplace pentru presiune

Laplace a derivat ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) arătând că interfețele curbate au diferențe de presiune. Explică de ce bulele mici au o presiune internă mai mare decât cele mari — critic pentru înțelegerea fiziologiei pulmonare și a stabilității emulsiilor.

Teoria moleculară a tensiunii superficiale

Fizicianul olandez van der Waals a explicat tensiunea superficială folosind forțele intermoleculare. Lucrarea sa despre atracția moleculară i-a adus Premiul Nobel în 1910 și a pus bazele înțelegerii capilarității, adeziunii și punctului critic.

Monostraturi și chimia suprafețelor

Langmuir a studiat peliculele moleculare pe suprafețele apei, creând domeniul chimiei suprafețelor. Lucrarea sa despre surfactanți, adsorbție și orientare moleculară i-a adus Premiul Nobel în 1932. Peliculele Langmuir-Blodgett îi poartă numele.

Tensiunea superficială determină udarea, întinderea și adeziunea:

• Formularea vopselelor: Ajustați γ la 25-35 mN/m pentru întindere optimă pe substraturi
• Imprimare cu jet de cerneală: Cerneala trebuie să aibă γ < substrat pentru udare (tipic 25-40 mN/m)
• Tratament corona: Crește energia de suprafață a polimerilor de la 30 → 50+ mN/m pentru adeziune
• Acoperiri cu pulbere: Tensiunea superficială scăzută ajută la nivelare și la dezvoltarea luciului
• Acoperiri anti-graffiti: γ scăzut (15-20 mN/m) previne adeziunea vopselei
• Controlul calității: Tensiometru cu inel du Noüy pentru consistența de la lot la lot

Detergenții funcționează prin reducerea tensiunii superficiale:

• Apă pură: γ = 72.8 mN/m (nu pătrunde bine în țesături)
• Apă + săpun: γ = 25-30 mN/m (pătrunde, udă, îndepărtează uleiul)
• Concentrația Micelară Critică (CMC): γ scade brusc până la CMC, apoi se stabilizează
• Agenți de umectare: Curățătorii industriali reduc γ la <30 mN/m
• Detergent de vase: Formulat la γ ≈ 27-30 mN/m pentru îndepărtarea grăsimii
• Pulverizatoare de pesticide: Adaugă surfactanți pentru a reduce γ pentru o acoperire mai bună a frunzelor

Tensiunea interfacială dintre petrol și apă afectează extracția:

• Tensiune interfacială petrol-apă: Tipic 20-50 mN/m
• Recuperare avansată a petrolului (EOR): Injectați surfactanți pentru a reduce γ la <0.01 mN/m
• γ scăzut → picăturile de petrol se emulsifică → curg prin roca poroasă → recuperare crescută
• Caracterizarea țițeiului: Conținutul de aromatici afectează tensiunea superficială
• Fluxul în conducte: γ mai scăzut reduce stabilitatea emulsiei, ajută la separare
• Metoda picăturii suspendate măsoară γ la temperatura/presiunea rezervorului

Tensiunea superficială este critică pentru procesele vitale:

• Surfactant pulmonar: Reduce γ alveolar de la 70 la 25 mN/m, prevenind colapsul
• Sugari prematuri: Sindrom de detresă respiratorie din cauza surfactantului insuficient
• Membrane celulare: γ al bistratului lipidic ≈ 0.1-2 mN/m (foarte scăzut pentru flexibilitate)
• Plasmă sanguină: γ ≈ 50-60 mN/m, crescut în boli (diabet, ateroscleroză)
• Film lacrimal: Structură multistrat cu strat lipidic care reduce evaporarea
• Respirația insectelor: Sistemul traheal se bazează pe tensiunea superficială pentru a preveni intrarea apei

Păianjenii de apă (Gerridae) exploatează tensiunea superficială ridicată a apei (72.8 mN/m) pentru a suporta de 15 ori greutatea lor corporală. Picioarele lor sunt acoperite cu peri ceroși superhidrofobi (unghi de contact >150°). Fiecare picior creează o adâncitură în suprafața apei, iar tensiunea superficială oferă forța ascendentă. Dacă adăugați săpun (reducând γ la 30 mN/m), se scufundă imediat!

Tensiunea superficială acționează pentru a minimiza aria suprafeței pentru un volum dat. Sfera are aria minimă de suprafață pentru orice volum (inegalitatea izoperimetrică). Bulele de săpun demonstrează acest lucru minunat: aerul din interior împinge spre exterior, tensiunea superficială trage spre interior, iar echilibrul creează o sferă perfectă. Bulele non-sferice (cum ar fi cele cubice în cadre de sârmă) au o energie mai mare și sunt instabile.

Plămânii nou-născuților conțin surfactant pulmonar (fosfolipide + proteine) care reduce tensiunea superficială alveolară de la 70 la 25 mN/m. Fără acesta, alveolele se colabează în timpul expirației (atelectazie). Sugarii prematuri nu au suficient surfactant, cauzând Sindromul de Detresă Respiratorie (SDR). Înainte de terapia cu surfactant sintetic (anii 1990), SDR era o cauză principală de deces neonatal. Acum, ratele de supraviețuire depășesc 95%.

Turnați vin într-un pahar și priviți: picături se formează pe pereți, urcă și apoi cad înapoi — 'lacrimile vinului.' Acesta este efectul Marangoni: alcoolul se evaporă mai repede decât apa, creând gradienți de tensiune superficială (γ variază spațial). Lichidul curge din regiunile cu γ scăzut spre cele cu γ ridicat, trăgând vinul în sus. Când picăturile devin suficient de grele, gravitația câștigă și ele cad. Fluxurile Marangoni sunt critice în sudură, acoperiri și creșterea cristalelor.

Moleculele de săpun sunt amfifile: coadă hidrofobă (urăște apa) + cap hidrofil (iubește apa). În soluție, cozile ies din suprafața apei, perturbând legăturile de hidrogen și reducând γ de la 72 la 25-30 mN/m. La Concentrația Micelară Critică (CMC), moleculele formează micele sferice cu cozile în interior (capturând uleiul) și capetele în exterior. De aceea săpunul îndepărtează grăsimea: uleiul este solubilizat în interiorul micelelor și este spălat.

Aruncați un cristal de camfor pe apă și acesta se va deplasa rapid pe suprafață ca o bărcuță. Camforul se dizolvă asimetric, creând un gradient de tensiune superficială (γ mai mare în spate, mai mic în față). Suprafața trage cristalul spre regiunile cu γ ridicat — un motor cu tensiune superficială! Acest lucru a fost demonstrat de fizicianul C.V. Boys în 1890. Chimiștii moderni folosesc propulsie Marangoni similară pentru microroboți și vehicule de livrare a medicamentelor.

Aceasta este o relație termodinamică fundamentală, nu o coincidență. Dimensional: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² și [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Au dimensiuni de bază identice! Fizic: crearea unei noi suprafețe de 1 m² necesită lucru mecanic = forță × distanță = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Deci γ măsurat ca forță/lungime este egal cu γ măsurat ca energie/arie. Apă @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (același număr, interpretare duală).

Coeziune: atracția între molecule de același tip (apă-apă). Adeziune: atracția între molecule de tipuri diferite (apă-sticlă). Coeziune ridicată → tensiune superficială ridicată → picăturile se adună (mercur pe sticlă). Adeziune ridicată în raport cu coeziunea → lichidul se întinde (apă pe sticlă curată). Echilibrul determină unghiul de contact θ prin ecuația lui Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Udarea are loc când θ < 90°; adunarea în picături când θ > 90°. Suprafețele superhidrofobe (frunza de lotus) au θ > 150°.

Moleculele de săpun sunt amfifile: coadă hidrofobă + cap hidrofil. La interfața apă-aer, cozile se orientează spre exterior (evitând apa), iar capetele spre interior (atrase de apă). Acest lucru perturbă legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă de la suprafață, reducând tensiunea superficială de la 72.8 la 25-30 mN/m. γ mai scăzut permite apei să ude țesăturile și să pătrundă în grăsime. La Concentrația Micelară Critică (CMC, tipic 0.1-1%), moleculele formează micele care solubilizează uleiul.

O temperatură mai mare conferă moleculelor mai multă energie cinetică, slăbind atracțiile intermoleculare (legături de hidrogen, forțe van der Waals). Moleculele de la suprafață au o atracție netă spre interior mai mică → tensiune superficială mai scăzută. Pentru apă: γ scade cu ~0.15 mN/m per °C. La temperatura critică (374°C pentru apă, 647 K), distincția lichid-gaz dispare și γ → 0. Regula lui Eötvös cuantifică acest lucru: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) unde V = volum molar, T_c = temperatura critică.

Patru metode principale: (1) Inelul du Noüy: Un inel de platină este tras de pe suprafață, se măsoară forța (cea mai comună, ±0.1 mN/m). (2) Placa Wilhelmy: O placă subțire suspendată care atinge suprafața, forța este măsurată continuu (cea mai mare precizie, ±0.01 mN/m). (3) Picătura suspendată: Forma picăturii este analizată optic folosind ecuația Young-Laplace (funcționează la T/P ridicate). (4) Ascensiunea capilară: Lichidul urcă într-un tub îngust, se măsoară înălțimea: γ = ρghr/(2cosθ) unde ρ = densitate, h = înălțime, r = rază, θ = unghi de contact.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) descrie diferența de presiune de-a lungul unei interfețe curbate. R₁ și R₂ sunt razele principale de curbură. Pentru o sferă (bulă, picătură): ΔP = 2γ/R. Bulele mici au o presiune internă mai mare decât cele mari. Exemplu: o picătură de apă de 1 mm are ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Acest lucru explică de ce bulele mici dintr-o spumă se micșorează (gazul difuzează de la cele mici la cele mari) și de ce alveolele pulmonare au nevoie de surfactant (reduce γ pentru a nu se colaba).

Mercur: Coeziune puternică (legături metalice, γ = 486 mN/m) >> adeziune slabă la sticlă → unghi de contact θ ≈ 140° → se adună în picături. Apă: Coeziune moderată (legături de hidrogen, γ = 72.8 mN/m) < adeziune puternică la sticlă (legături de hidrogen cu grupările -OH de la suprafață) → θ ≈ 0-20° → se întinde. Ecuația lui Young: cos θ = (γ_solid-vapor - γ_solid-lichid)/γ_lichid-vapor. Când adeziunea > coeziune, cos θ > 0, deci θ < 90° (udare).

Nu. Tensiunea superficială este întotdeauna pozitivă — reprezintă costul energetic pentru a crea o nouă arie de suprafață. O valoare γ negativă ar însemna că suprafețele se extind spontan, încălcând termodinamica (entropia crește, dar faza de volum este mai stabilă). Cu toate acestea, tensiunea interfacială dintre două lichide poate fi foarte scăzută (aproape de zero): în recuperarea avansată a petrolului, surfactanții reduc γ ulei-apă la <0.01 mN/m, provocând emulsificare spontană. La punctul critic, γ = 0 exact (distincția lichid-gaz dispare).