La tensió superficial és una propietat física dels líquids que fa referència a la força que actua a la superfície del líquid i que tendeix a disminuir l'àrea superficial al mínim possible. Aquesta propietat és el resultat de les forces de cohesió entre les molècules del fluid.
Aquesta propietat permet a alguns objectes surar a la superfície d'un líquid, com ara els insectes aquàtics que poden caminar sobre l'aigua.
La tensió superficial també té un paper important en fenòmens com la capil·laritat, és a dir, la capacitat d'un líquid per ascendir contra la gravetat a través d'un tub estret.
Com a exemple, la tensió superficial de l'aigua és una de les més altes entre els líquids comuns. El valor típic de la tensió superficial de l'aigua a 20 graus Celsius és d'aproximadament 72 mil·litons per metre (mN/m) o 72 dyn/cm.
Com funciona?
En un líquid, les molècules a l'interior estan envoltades i atretes a totes les direccions per altres molècules adjacents. No obstant això, a la superfície del líquid, les molècules només estan envoltades i atretes cap a l'interior i cap als costats, cosa que crea una força neta cap a l'interior. Aquesta força neta és la responsable de la tensió superficial.
A causa de la tensió superficial, les gotes de líquid tendeixen a tenir una forma esfèrica, ja que aquesta forma minimitza la superfície exposada a l'entorn.
Fórmula de la tensió superficial
La fórmula matemàtica per calcular la tensió superficial d'un líquid es basa en la relació entre la força que actua a la superfície del líquid i el perímetre de la superfície. La fórmula és la següent:
T = F/L
On:
- T representa la tensió superficial del líquid.
- F és la força que actua a la superfície del líquid.
- L és el perímetre de la superfície líquida.
La tensió superficial s'expressa en unitats de força per unitat de longitud, com ara newton per metre (N/m), dyn/cm o l'equivalent al joule per metre quadrat (J/m²).
És important tenir en compte que aquesta fórmula és una representació bàsica i simplificada de la tensió superficial. En situacions més complexes o amb formes de superfície irregulars, es poden requerir equacions més complexes per calcular la tensió superficial amb precisió.
Exemples de tensió superficial
Aquí es mostren alguns exemples que il·lustren la tensió superficial en diferents situacions de la nostra vida quotidiana i en fenòmens naturals:
Exemple 1: Gotes daigua
Quan es forma una gota daigua, aquesta tendeix a adoptar una forma esfèrica a causa de la tensió superficial. Les molècules d'aigua a la superfície de la gota experimenten una atracció mútua, creant una mena de "pell" que minimitza l'àrea superficial exposada a l'aire. Aquesta tendència a minimitzar l‟àrea superficial és la raó per la qual les gotes d‟aigua adopten una forma esfèrica, ja que l‟esfera és la forma geomètrica que té la menor àrea de superfície per a un volum donat.
Aquest fenomen és observable quan es vessen petites quantitats daigua sobre una superfície no absorbent, com una fulla de planta o una tela impermeable.
Exemple 2: Insectes sobre l'aigua
Alguns insectes, com els sabaters o xinxes d'aigua, poden caminar sobre la superfície de l'aigua sense enfonsar-se gràcies a la tensió superficial. Les potes daquests insectes tenen una estructura especial que distribueix el seu pes de manera que no trenquen la superfície de laigua. La tensió superficial actua com una mena de membrana elàstica que sosté els insectes, permetent desplaçar-se sobre l'aigua sense caure.
Aquest fenomen és possible perquè les forces cohesives entre les molècules d'aigua a la superfície són prou fortes per suportar el pes dels insectes.
Exemple 3: Capil·laritat a les plantes
La capil·laritat és un fenomen estretament relacionat amb la tensió superficial que s'observa a l'ascens de l'aigua a través dels vasos capil·lars de les plantes. Les molècules d'aigua s'adhereixen a les parets dels gots (força d'adhesió) i s'atreuen entre si (força de cohesió), cosa que permet que l'aigua pugi per aquests tubs microscòpics contra la força de la gravetat.
Aquest procés és fonamental per al transport daigua i nutrients des de les arrels fins a les fulles, permetent així la supervivència de les plantes.
Exemple 4: Bombolles de sabó
Les bombolles de sabó són un altre exemple clàssic de la tensió superficial en acció. Quan es bufa una bombolla, l'aire hi empeny cap enfora, mentre que la tensió superficial de la pel·lícula de sabó la manté unida. La bombolla adopta una forma esfèrica perquè la tensió superficial intenta reduir l'energia en minimitzar l'àrea de la superfície.
Aquesta propietat permet que les bombolles siguin tan flexibles i resistents, encara que també fràgils, ja que una petita pertorbació pot trencar la pel·lícula.
Exemple 5: Formació de llàgrimes
La tensió superficial del líquid lacrimal als nostres ulls és responsable de la formació de gotes de llàgrimes. Aquest fenomen permet que les llàgrimes romanguin en forma de gotes, en comptes d'estendre's sobre tota la superfície de l'ull.
La cohesió entre les molècules d'aigua al líquid lacrimal manté la integritat de la llàgrima fins que el seu pes excedeix la força de la tensió superficial, moment en què la llàgrima cau.
Exemple 6: Flors que suren a l'aigua
Algunes flors, com les flors de lotus, suren a la superfície de l'aigua a causa de la tensió superficial. Les cel·les d'aire dins l'estructura de la flor, combinades amb la tensió superficial de l'aigua, permeten que la flor es mantingui a la superfície.
Això és crucial per a la supervivència d'aquestes plantes, ja que permet que les fulles rebin llum solar directa i facin la fotosíntesi, alhora que les seves arrels romanen submergides.
Exemple 7: Agulles i clips flotants
Una agulla o un clip de metall pot surar a la superfície de l'aigua si es col·loca acuradament. Tot i que aquests objectes són més densos que l'aigua i, per tant, s'haurien d'enfonsar, la tensió superficial de l'aigua és prou forta per suportar el pes de l'objecte si es col·loca amb compte sense trencar la superfície.
Aquest fenomen demostra com la tensió superficial pot superar temporalment la força de la gravetat en objectes de mida petita.
Exemple 8: Efecte de la tensió superficial a la neteja
Els detergents funcionen disminuint la tensió superficial de l'aigua, cosa que permet que l'aigua mulli millor les superfícies i penetri més fàcilment als teixits o als sòls.
Això millora la capacitat de l'aigua per eliminar la brutícia i els greixos, ja que aquestes substàncies són repel·lides per l'alta tensió superficial de l'aigua pura. Quan la tensió superficial es redueix, l'aigua es pot barrejar millor amb els greixos i els olis, facilitant-ne la remoció.
Exemple 9: Llàgrimes de vi
El fenomen conegut com a "llàgrimes de vi" passa quan l'alcohol en un vi s'evapora més ràpidament que l'aigua. La tensió superficial de l'aigua restant és més gran, cosa que fa que es formin gotes a les parets del got. Aquestes gotes s'acumulen i després cauen, creant un efecte visual conegut com a llàgrimes o cames del vi.
Aquest fenomen està relacionat tant amb l'evaporació com amb la tensió superficial i és un indicatiu del contingut d'alcohol i glicerol al vi.
Tècniques de mesura
Per mesurar-la, es fan servir diversos mètodes, entre els quals destaquen el mètode de la gota penjant, la placa de Wilhelmy i la tècnica de l'anell de Du Noüy.
Mètode de la gota penjant
Aquest mètode es basa en lanàlisi de la forma duna gota de líquid que penja duna agulla o tub capil·lar. A mesura que la gota penja, la gravetat tira cap avall, mentre que la tensió superficial actua per mantenir la gota unida. La forma resultant de la gota és una funció de la tensió superficial i les forces gravitacionals. Mitjançant lús dequacions que relacionen el perfil de la gota amb la tensió superficial, es pot calcular el valor daquesta propietat.
Aquest mètode és necessari i s'utilitza sovint en laboratoris per mesurar líquids amb diferents propietats.
Plat Wilhelmy
En aquest mètode, s'empra una làmina o placa d'un material, generalment de vidre o platí, que se submergeix verticalment al líquid la tensió superficial del qual es vol mesurar. La tensió superficial actua sobre la placa, i la força que es mesura en intentar retirar-la del líquid s'utilitza per calcular la tensió superficial.
L'avantatge d'aquest mètode és la simplicitat i la capacitat per mesurar tant la tensió superficial com l'energia superficial de sòlids.
Tècnica de l'anell de Du Noüy
Aquest mètode involucra un anell de filferro fi, que se submergeix al líquid i després s'eleva lentament. La tensió superficial actua sobre l'anell, i la força necessària per separar-lo de la superfície del líquid és directament proporcional a la tensió superficial.
Aquest mètode és popular per la seva facilitat dús i capacitat per mesurar la tensió superficial de líquids de manera ràpida.
Altres tècniques
A més d'aquests mètodes, hi ha altres tècniques com el mètode de la gota giratòria i el mètode del capil·lar ascendent, que també permeten mesurar la tensió superficial en diferents contextos i amb diferents nivells de precisió.
Experiment senzill
Aquí teniu un experiment senzill per demostrar la tensió superficial de l'aigua utilitzant materials comuns:
Materials necessaris:
- Un recipient transparent (pot ser un got o una tassa)
- Aigua
- Un clip metàl·lic
- Paper absorbent (per exemple, un tros de paper de cuina)
Passos a seguir:
- Omple el recipient amb aigua fins a la vora.
- Col·loca el clip metàl·lic acuradament a la superfície de l'aigua. Observa com el clip flota degut a la tensió superficial de laigua.
- Pren un tros de paper absorbent i col·loca'l sobre la superfície de l'aigua, tocant el clip.
- Observa què passa: el paper absorbent es mullarà instantàniament mentre el clip segueix flotant. Això passa perquè l'aigua és atreta cap a les fibres del paper absorbent, trencant la tensió superficial i permetent que l'aigua ho mulli.
Aquest experiment demostra com la tensió superficial de l'aigua permet que objectes lleugers, com el clip, surin a la superfície i com la tensió superficial es trenca quan l'aigua entra en contacte amb un material que la pot absorbir, com el paper absorbent.