Tensione superficiale

La tensione superficiale di un liquido in Fisica è una grandezza che esprime la resistenza della superficie libera di un liquido; è dovuta chimicamente all'azione tra le sue molecole e si oppone all'aumento della superficie libera a seguito dell'azione delle forze che agiscono su di essa.

 

In questa lezione spieghiamo cos'è la tensione superficiale esercitata dalla superficie libera dei liquidi. Non scenderemo in dettagli troppo tecnici e cercheremo piuttosto di fornire una spiegazione sulla tensione superficiale da un punto di vista chimico (riguardo alle cause che la generano) e fisico (riguardo agli effetti che essa comporta). 

 
 
 

Cos'è la tensione superficiale

 

Se pensate che camminare sull'acqua sia impossibile, allora dovete sapere che alcuni piccoli insetti ci riescono benissimo e lo fanno tutti i giorni. Per riuscirci sfruttano quella che viene chiamata tensione superficiale.

 

Dal punto di vista della chimica un liquido è composto da tantissime molecole in continuo movimento; tra di loro esistono forze di tipo attrattivo che consentono al liquido di non disperdersi. Tali forze sono di origine elettrica e dipendono dalla distanza intermolecolare, ovvero dalla distanza tra una molecola e quelle che la circondano.

 

Pensiamo a una molecola di un fluido: essa è completamente circondata da altre molecole con le quali interagisce e dalle quali si sente attratta. Tali forze di attrazione si esercitano sulla molecola da tutte le direzioni dello spazio, per cui alla fine la forza risultante che si esercita sulla molecola è nulla. Infatti, per una forza che la attrae verso sinistra, ne esisterà un'altra uguale che la attrae verso destra e così per qualunque altra direzione si consideri.

 

Tensione superficiale e superficie libera

 

Le cose cambiano quando si considera una molecola in prossimità della superficie libera del liquido. Pensate alla superficie piatta dell'acqua: una molecola che si trova sulla superficie è attratta solamente da quelle sottostanti e dalle altre molecole sulla superficie, e l'azione delle forze non è più perfettamente simmetrica come prima. Le altre molecole si trovano solamente al di sotto di essa o al suo stesso livello; essa non subisce alcuna forza attrattiva dall'alto tale da controbilanciare quella subita dal basso. Il risultato è che le molecole in superficie sono attratte verso l'interno del liquido.

 

Questa situazione implica che, per portare una molecola di liquido dall'interno verso la superficie libera, è necessario compiere lavoro contro la forza appena descritta. Portare altre molecole dall'interno verso la superficie significa aumentarne la superficie libera di una quantità infinitesima dS. Il lavoro infinitesimo che bisogna spendere in favore di tale aumento superficiale è dato dalla seguente formula:

 

dL=\tau dS

 

dove con \tau indichiamo una nuova grandezza, la tensione superficiale, che ha le dimensioni di una forza per unità di lunghezza e la cui unità di misura è data dal rapporto tra newton e metro: \frac{N}{m}.

 

Il valore della tensione superficiale \tau dipende dal tipo di liquido, dal gas con cui è a contatto la superficie libera e dalla temperatura, e volendo possiamo esprimere la formula della tensione superficiale come rapporto tra quantità infinitesime:

 

\tau=\frac{dL}{dS}

 

Da qui è possibile fornire una definizione di tensione superficiale più rigorosa. Ricordando com'è definita la densità, possiamo affermare che la tensione superficiale è la densità superficiale di energia di legame delle molecole del liquido.

 

A titolo di completezza, la tensione superficiale può essere definita anche nel caso dei solidi e dei gas.

 

Effetto della tensione superficiale

 

Per aumentare la superficie di un liquido si deve compiere lavoro. Ciò significa che la superficie libera oppone una certa resistenza quando si cerca di aumentarne l'estensione, per effetto della tensione superficiale, con il risultato che la superficie libera si comporta come se fosse una superficie elastica.

 

Quando un insetto leggero posa le zampe sulla superficie libera dell'acqua, essa si flette verso il basso aumentando la propria estensione per via del lavoro compiuto su di essa dalla forza peso dell'insetto. L'acqua resiste a tale lavoro per effetto della tensione superficiale; nel momento in cui l'insetto si sposta e non viene più compiuto lavoro sulla superficie, quest'ultima tende a ritornare alla configurazione precedente.

 

Se volete condurre un semplice esperimento, adatto anche ai ragazzi della scuola media o perché no, ai bambini della scuola primaria, potete riempire un bicchiere d'acqua e appoggiare una piuma sulla sua superficie, per poi toglierla. ;)

 

Tensione superficiale e minimizzazione della superficie libera

 

Se è vero che per aumentare la superficie è necessario spendere dell'energia, e che quindi questo processo non avverrà mai spontaneamente, ciò implica che per sua natura un liquido cercherà sempre di minimizzare la propria superficie libera. In altri termini la tensione superficiale agente sulla superficie libera di un liquido tende a minimizzarne l'estensione.

 

Se poggiate su un piano una gocciolina d'acqua molto piccola, noterete che essa assume una forma sferica. La sfera infatti è il solido che, a parità di volume, ha la superficie più piccola possibile. Una goccia più grande è tondeggiante ma non sferica semplicemente perché la tensione superficiale non è tale da riuscire a contrapporsi alla forza peso, che tende ad appiattire la parte inferiore della goccia; ma se ci trovassimo in assenza di gravità, anche le gocce di grandi dimensioni avrebbero una forma perfettamente sferica. 

 

 


 

Nella lezione successiva riprenderemo i concetti appena esposti e studieremo nel dettaglio gocce e bolle. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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