Tensão do fluido de superfície

Tópico 6: Tensão Superficial dos Fluidos

As forças intermoleculares nos líquidos são diretamente responsáveis por fenômenos de capilaridade tais como a subida de líquido em tubos capilares, a completa umidificação de uma toalha quando uma ponta fica mergulhada na água, etc, e também por fenômenos de superfície tais como uma agulha que flutua sobre a superfície da água, muito embora sua densidade seja muito maior do que a da água, a caminhada dos insetos sobre superfícies líquidas, etc.

Figura 1

Consideremos um líquido em equilíbrio com seu vapor. Uma molécula no interior do líquido (Fig.1(a)) é solicitada igualmente em todas as direções, pelas forças de atração das moléculas vizinhas, de modo que estas forças estão perfeitamente balanceadas (equilíbrio de forças).

Para uma molécula que se encontra a uma distância da superfície do líquido menor do que d (Fig.1(b)), as forças sobre ela se tornam desbalanceadas, já que um hemisfério, abaixo dela, está preenchido totalmente com moléculas que a atraem, e o hemisfério acima dela, por se estender além da superfície do líquido, está preenchido apenas parcialmente com moléculas que a atraem.

Para uma molécula exatamente na fronteira do líquido, o desbalanceamento das forças é máximo (Fig.1(c)). Assim, existe uma forte tendência de as moléculas que se encontram dentro de uma camada superficial ser puxada para o interior do líquido e por isso a superfície do líquido tende a se contrair espontaneamente nesta direção[1].

Se um líquido tem uma interface com o seu próprio vapor, as moléculas da camada superficial estão submetidas a uma força dirigida para o interior do líquido. Se uma molécula da camada superficial se move para o interior do líquido, esta força realiza um trabalho positivo sobre ela. E se uma molécula se move do interior do líquido para a camada superficial, esta força realiza um trabalho negativo sobre ela.

Sendo dA uma variação infinitesimal da área da superfície de um líquido (a temperatura constante), o trabalho da força dirigida para o interior pode ser escrito:

definindo o coeficiente de tensão superficial ou, simplesmente, a tensão superficial, g, do líquido, para caracterizar as propriedades da camada superficial. A tabela a seguir mostra alguns valores da tensão superficial.

Tensão Superficial para Líquidos em Contato com o Ar

Substância

Temperatura (oC)

g (dyn/cm)

Glicerina

20

63,1

Mercúrio

20

465,0

Azeite

20

32,0

Água

0

75,6

Água

20

72,8

Água

60

66,2

As moléculas da camada superficial do líquido têm energia potencial maior do que as moléculas do interior, energia esta que resulta do trabalho realizado pelas forças de atração exercidas pelas moléculas do interior do líquido sobre as que se deslocam para a superfície. E como qualquer sistema em equilíbrio está no estado, dentre os possíveis, para o qual a sua energia é mínima, um líquido em equilíbrio deve ter a menor área superficial possível, ou seja, devem existir forças agindo no sentido de reduzir esta área. Um líquido se comporta, portanto, como se existissem forças tangentes à superfície, chamadas forças de tensão superficial, e o coeficiente g pode ser pensado como a força de tensão superficial por unidade de comprimento.

A tensão superficial decresce com o aumento da temperatura. Com maior energia cinética, as moléculas passam menos tempo próximas umas das outras e as forças intermoleculares perdem eficiência.

Resumo: Quando há uma molécula no interior de um líquido, ela está mercê de forças que a atraem por todas as direções, e o vetor dessas forças é nulo. Entretanto se uma molécula está na superfície de um líquido, então ela é solicitada para o interior do líquido por uma força de coesão que é perpendicular à superfície do mesmo necessitando de certo trabalho para deslocar as moléculas dessa força oposta.

O termo tensão superficial é utilizado para identificar a tensão aparente na camada superficial de um líquido, essa camada comporta-se como uma membrana distendida e pode ocasionar uma diferença de pressão através de uma superfície líquida curva, como descreve Brighton e Hughes (1979). As unidades da tensão superficial são as de força por comprimento N/m ou lb/ft. A força da tensão superficial resulta do comprimento multiplicado pela tensão superficial, sendo o