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By Lucien Silvano Alhanati

  Alfa Virtual School - Física

Fisicoquímica FQM

Tensão Superficial FQM01

Tensão Superficial FQM0101

   O que é a tensão superficial ? FQM010101

É a tensão que surge na superfície líquida que a transforma numa tênue membrana elástica.
A fotografia a seguir mostra um inseto com as patas apoiadas numa membrana superficial líquida. A imagem mostra a sombra do inseto sobre o líquido como também as depressões na superfície produzidas pelas patas.

Qual é a causa da tensão superficial ? FQM010102

A causa da tensão superficial é a resultante do sistema de forças de atração entre moléculas que estão localizadas na superfície líquida.
Vamos exemplificar com um líquido em contacto com o ar.

As moléculas do interior do líquido se atraem mutuamente com a mesma intensidade em todas as direções e sentidos. A resultante das forças inter-moleculares é neste caso nula.
As moléculas da superfície do líquido em contacto com o ar formam um sistema cuja resultante é diferente de zero uma vez que as moléculas gasosas são muito espaçadas, sendo as forças de interação entre as moléculas do ar e do líquido desprezíveis. Estas resultantes mantêm as moléculas superficiais unidas ao restante do líquido formando uma espécie de membrana elástica.

Como é formada uma bolha de sabão ? FQM010103

A bolha de sabão é constituída por uma pequena porção de líquido entre duas membranas superficiais, contendo ar no seu interior, como mostra a figura.

Qual é o motivo do formato arredondado das bolhas e gotas de líquidos ? FQM010104

As bolhas e gotas são moldadas por membranas elásticas, que assumem uma posição e forma de equilíbrio na configuração de menor energia.
A configuração de menor energia é a mais compacta possível, isto é, a de menor área para um determinado volume. O sólido geométrico que corresponde a esta condição é a esfera.
No caso de uma bolha a forma é aproximadamente a de uma esfera. O formato teórico de uma esfera é pouco deformado pelo peso do líquido que é muito pequeno devido a sua pouca quantidade.

No caso de uma gota o formato é arredondado característico. A deformação da forma esférica teórica é devida ao peso do líquido que neste caso não é desprezível.

Como é definida a grandeza física tensão superficial ? FQM010105

A grandeza tensão superficial é uma grandeza vetorial cuja definição é:
  • Direção - tangente à superfície de separação e normal à linha limite da membrana superficial
  • Sentido - da tendência de contração da membrana superficial

  • Módulo - conceituado de duas maneiras como:
    1- a razão entre o módulo da força exercida pela membrana e o comprimento sobre o qual ela atua.
    2- a razão entre o trabalho realizado pela força elástica e a correspondente variação da área da membrana.

Consideremos um quadro, onde um dos lados é móvel, contendo uma película de sabão líquido. Consideremos ainda uma força F atuante sobre o lado móvel, capaz de equilibrar a força elástica da película.
O módulo da tensão superficial s é a razão entre o módulo da força F equilibrante da força exercida pela membrana e o comprimento 2L sobre o qual ela atua, como mostra a figura.

Consideremos o trabalho dW realizado pela força F num deslocamento dx que acarreta um aumento de área dS = 2L.dx da membrana.
O módulo da tensão superficial s é a razão entre o trabalho dW realizado e a variação de área 2dS da membrana

Qual é a equação dimensional da tensão superficial ? FQM010106

Sabemos que [F] = L M T-2 e que [W] = L2 M T-2 .

[ s ] = [F] / [L] >>> [ s ] = M T-2

 ou ainda

[ s ] = [W] / [S] >>> [ s ] = M T-2

Qual é a unidade SI da tensão superficial ? FQM010107

Como [ s ] = [F] / [L]  a unidade SI será 1N / m

ou como [ s ] = [W] / [S] a unidade SI será 1J / m2

ou ainda como [ s ] = M T-2  a unidade será 1kg / s2 

As unidades acima são evidentemente equivalentes.

Como é calculada a pressão do gás no interior de uma bolha de sabão ? FQM010108

Consideremos uma bolha de sabão de forma esférica de raio R, sendo desprezível o peso do líquido.
Seja p1 a pressão interna e p2 a pressão externa.
A tensão superficial do líquido é s.

Consideremos as forças atuantes na semi-esfera superior representativa da bolha:

  • F2 resultante da força de empuxo devida à pressão externa.
  • F1 resultante da força de empuxo devida à pressão interna.
  • F resultante das forças produzidas pela tensão superficial.

Segundo o que ficou estabelecido em LDT040804 a resultante da força de empuxo vertical é igual ao produto da pressão pela área da projeção da superfície no plano horizontal.
A resultante da força de empuxo horizontal é nula devido à simetria da superfície em relação ao eixo vertical que passa pelo centro da esfera.

Como é calculado o peso de uma gota ? FQM010109

Consideremos uma gota de peso P no momento do desprendimento de uma cânula de raio R.
A tensão superficial do líquido é s.

Consideremos as forças atuantes na gota no momento do desprendimento:

  • P peso da gota.
  • F resultante das forças produzidas pela tensão superficial.

O que é a molhabilidade ? FQM010110

É a capacidade que um líquido tem de molhar uma superfície sólida em contacto

Como é avaliada a molhabilidade ? FQM010111

A molhabilidade é avaliada pelo ângulo de contacto do líquido com a superfície sólida.

Quanto maior o ângulo de contacto maior a molhabilidade, isto é, mais o líquido molha a superfície sólida em contacto.

Quando o líquido molha completamente a superfície sólida ele se espalha numa fina camada de espessura praticamente monomolecular. Como exemplo o espalhamento do petróleo sobre o vidro.
Quando o líquido não molha a superfície sólida ele se divide em porções praticamente esféricas. Como exemplo o mercúrio sobre o vidro .

Como é calculado o ângulo de contacto ? FQM010112

Consideremos o contacto entre as três fases, sólida, líquida e gasosa.
A representação das tensões superficiais está mostrada na figura.

Qual é o aspecto da superfície do líquido contido num recipiente ? FQM010113

Afastada das bordas a superfície do líquido é plana. Próxima às bordas a superfície do líquido apresenta uma curvatura que varia com a molhabilidade.

Qual é a relação entre a tensão superficial e a flutuação de corpos nos líquidos ? FQM010114

A tensão superficial poderá influir na flutuação dos corpos, variando com a molhabilidade.

Quando um corpo flutua num líquido que o molha verificamos que o corpo puxa o líquido para cima e consequentemente a força de reação exercida pelo líquido empurra o corpo para baixo.
Neste caso a tensão superficial reduz a capacidade de flutuabilidade do corpo.
Exemplificando: as aves marinhas quando entram em contacto com o óleo derramado de navios perdem flutuabilidade uma vez que o óleo molha as suas penas

Quando um corpo flutua num líquido que não o molha verificamos que o corpo puxa o líquido para baixo e consequentemente a força de reação exercida pelo líquido empurra o corpo para cima.
Neste caso a tensão superficial aumenta a capacidade de flutuabilidade do corpo.
Exemplificando: a água do mar não molha as  penas das aves marinhas adquirindo desta maneira  um ganho de flutuabilidade.

Qual é a influência da temperatura na tensão superficial ? FQM010115

Um aumento da temperatura acarreta uma redução da tensão superficial.
A limpeza de superfícies e de tecidos, por exemplo, torna-se mais fácil quando é usada água quente, em virtude da redução de sua tensão superficial

O que a adsorção ? FQM010116

Adsorção é a incorporação de substâncias gasosas (ou dissolvidas) na superfície de corpos sólidos ou líquidos.
É importante não confundir adsorção com absorção, que corresponde a uma dissolução.
A adsorção é um fenômeno superficial como a tensão superficial.
Os corpos porosos são de um modo geral capazes de promover com grande eficiência a adsorção.
O carvão vegetal adsorve grandes quantidades de gases e de impurezas dissolvidas, sendo usado na purificação da água e clarificação de vinhos.

 


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