La tension superficielle est une propriété physique des liquides qui fait référence à la force qui agit sur la surface du liquide et qui tend à réduire la surface au minimum possible. Cette propriété résulte des forces de cohésion entre les molécules du fluide.
Cette propriété permet à certains objets de flotter à la surface d’un liquide, comme les insectes aquatiques qui peuvent marcher sur l’eau.
La tension superficielle joue également un rôle important dans des phénomènes tels que la capillarité, c'est-à-dire la capacité d'un liquide à s'élever contre la gravité à travers un tube étroit.
À titre d’exemple, la tension superficielle de l’eau est l’une des plus élevées parmi les liquides courants. La valeur typique de la tension superficielle de l'eau à 20 degrés Celsius est d'environ 72 millinewtons par mètre (mN/m) ou 72 dyn/cm.
Comment ça marche ?
Dans un liquide, les molécules à l’intérieur sont entourées et attirées dans toutes les directions par d’autres molécules adjacentes. Cependant, à la surface du liquide, les molécules sont seulement entourées et attirées vers l’intérieur et sur les côtés, créant ainsi une force nette vers l’intérieur. Cette force nette est responsable de la tension superficielle.
En raison de la tension superficielle, les gouttelettes de liquide ont tendance à avoir une forme sphérique, car cette forme minimise la surface exposée à l’environnement.
Formule de tension superficielle
La formule mathématique permettant de calculer la tension superficielle d'un liquide est basée sur la relation entre la force agissant sur la surface du liquide et le périmètre de la surface. La formule est la suivante :
T = F / L
Où:
- T représente la tension superficielle du liquide.
- F est la force agissant à la surface du liquide.
- L est le périmètre de la surface liquide.
La tension superficielle est exprimée en unités de force par unité de longueur, telles que le newton par mètre (N/m), le dyn/cm ou l'équivalent du joule par mètre carré (J/m²).
Il est important de noter que cette formule est une représentation basique et simplifiée de la tension superficielle. Dans des situations plus complexes ou avec des formes de surface irrégulières, des équations plus complexes peuvent être nécessaires pour calculer avec précision la tension superficielle.
Exemples de tension superficielle
Voici quelques exemples qui illustrent la tension superficielle dans différentes situations de notre vie quotidienne et dans des phénomènes naturels :
Exemple 1 : gouttes d'eau
Lorsqu’une goutte d’eau se forme, elle a tendance à adopter une forme sphérique en raison de la tension superficielle. Les molécules d'eau à la surface de la goutte subissent une attraction mutuelle, créant une sorte de « peau » qui minimise la surface exposée à l'air. Cette tendance à minimiser la surface est la raison pour laquelle les gouttelettes d'eau adoptent une forme sphérique, puisque la sphère est la forme géométrique qui a la plus petite surface pour un volume donné.
Ce phénomène est observable lorsque de petites quantités d'eau sont déversées sur une surface non absorbante, comme une feuille de plante ou un tissu imperméable.
Exemple 2 : Insectes sur l'eau
Certains insectes, comme les punaises des chaussures ou les punaises d'eau, peuvent marcher à la surface de l'eau sans couler grâce à la tension superficielle. Les pattes de ces insectes ont une structure spéciale qui répartit leur poids afin qu'ils ne brisent pas la surface de l'eau. La tension superficielle agit comme une sorte de membrane élastique qui soutient les insectes, leur permettant de se déplacer sur l'eau sans tomber.
Ce phénomène est possible car les forces de cohésion entre les molécules d’eau à la surface sont suffisamment fortes pour supporter le poids des insectes.
Exemple 3 : Capillarité dans les plantes
La capillarité est un phénomène étroitement lié à la tension superficielle que l'on observe lors de la montée de l'eau à travers les capillaires des plantes. Les molécules d’eau se collent aux parois des récipients (force d’adhésion) et s’attirent les unes les autres (force de cohésion), permettant à l’eau de remonter dans ces tubes microscopiques contre la force de gravité.
Ce processus est essentiel au transport de l’eau et des nutriments des racines vers les feuilles, permettant ainsi la survie des plantes.
Exemple 4 : Bulles de savon
Les bulles de savon sont un autre exemple classique de tension superficielle en action. Lorsqu’une bulle est soufflée, l’air qu’elle contient est poussé vers l’extérieur, tandis que la tension superficielle du film de savon la maintient ensemble. La bulle prend une forme sphérique car la tension superficielle tente de réduire l’énergie en minimisant la surface.
Cette propriété permet aux bulles d'être si souples et résistantes, bien qu'elles soient également fragiles, puisqu'une petite perturbation peut briser le film.
Exemple 5 : Formation de larmes
La tension superficielle du liquide lacrymal dans nos yeux est responsable de la formation de gouttelettes lacrymales. Ce phénomène permet aux larmes de rester sous forme de gouttelettes, plutôt que de se répandre sur toute la surface de l'œil.
La cohésion entre les molécules d'eau dans le liquide lacrymal maintient l'intégrité de la déchirure jusqu'à ce que son poids dépasse la force de tension superficielle, moment auquel la déchirure tombe.
Exemple 6 : Fleurs flottant dans l'eau
Certaines fleurs, comme les fleurs de lotus, flottent à la surface de l’eau en raison de la tension superficielle. Les cellules d'air à l'intérieur de la structure de la fleur, combinées à la tension superficielle de l'eau, permettent à la fleur de rester à flot.
Ceci est crucial pour la survie de ces plantes, car cela permet à leurs feuilles de recevoir la lumière directe du soleil et de réaliser la photosynthèse, tandis que leurs racines restent immergées.
Exemple 7 : Aiguilles et clips flottants
Une aiguille ou un clip métallique peut flotter à la surface de l’eau s’il est placé avec soin. Bien que ces objets soient plus denses que l’eau et devraient donc couler, la tension superficielle de l’eau est suffisamment forte pour supporter le poids de l’objet s’il est soigneusement placé sans briser la surface.
Ce phénomène démontre comment la tension superficielle peut temporairement vaincre la force de gravité sur de petits objets.
Exemple 8 : Effet de la tension superficielle sur le nettoyage
Les détergents agissent en abaissant la tension superficielle de l’eau, ce qui permet à l’eau de mieux mouiller les surfaces et de pénétrer plus facilement dans les tissus ou les sols.
Cela améliore la capacité de l'eau à éliminer la saleté et la graisse, car ces substances sont repoussées par la tension superficielle élevée de l'eau pure. Lorsque la tension superficielle est réduite, l’eau peut mieux se mélanger aux graisses et aux huiles, ce qui les rend plus faciles à éliminer.
Exemple 9 : Larmes de vin
Le phénomène connu sous le nom de « déchirures de vin » se produit lorsque l'alcool contenu dans un vin s'évapore plus rapidement que l'eau. La tension superficielle de l’eau restante est plus importante, ce qui provoque la formation de gouttes sur les parois du verre. Ces gouttes s’accumulent puis tombent, créant un effet visuel appelé larmes ou pattes de vin.
Ce phénomène est lié à la fois à l'évaporation et à la tension superficielle et est révélateur de la teneur en alcool et en glycérol du vin.
Techniques de mesure
Pour le mesurer, diverses méthodes sont utilisées, parmi lesquelles se distinguent la méthode de la goutte suspendue, la plaque de Wilhelmy et la technique de l'anneau de Du Noüy.
Méthode de chute suspendue
Cette méthode est basée sur l'analyse de la forme d'une goutte de liquide suspendue à une aiguille ou à un tube capillaire. Lorsque la goutte est suspendue, la gravité tire vers le bas, tandis que la tension superficielle agit pour maintenir la goutte ensemble. La forme de la goutte qui en résulte est fonction de la tension superficielle et des forces gravitationnelles. En utilisant des équations reliant le profil de goutte à la tension superficielle, la valeur de cette propriété peut être calculée.
Cette méthode est précise et est fréquemment utilisée en laboratoire pour mesurer des liquides aux propriétés différentes.
Assiette Wilhelmy
Dans cette méthode, on utilise une feuille ou une plaque d'un matériau, généralement du verre ou du platine, immergée verticalement dans le liquide dont la tension superficielle doit être mesurée. La tension superficielle agit sur la plaque et la force mesurée en essayant de la retirer du liquide est utilisée pour calculer la tension superficielle.
L’avantage de cette méthode est sa simplicité et sa capacité à mesurer à la fois la tension superficielle et l’énergie superficielle des solides.
Technique de l'anneau Du Noüy
Cette méthode implique un anneau de fil fin, qui est immergé dans le liquide puis soulevé lentement. La tension superficielle agit sur l'anneau, et la force nécessaire pour le séparer de la surface du liquide est directement proportionnelle à la tension superficielle.
Cette méthode est populaire pour sa facilité d’utilisation et sa capacité à mesurer rapidement la tension superficielle des liquides.
Autres techniques
À ces méthodes s’ajoutent d’autres techniques comme la méthode de la goutte rotative et la méthode du capillaire ascendant, qui permettent également de mesurer la tension superficielle dans différents contextes et avec différents niveaux de précision.
Expérience simple
Voici une expérience simple pour démontrer la tension superficielle de l’eau à l’aide de matériaux courants :
Matériel nécessaire :
- Un récipient transparent (cela peut être un verre ou une tasse)
- Eau
- Une pince en métal
- Du papier absorbant (par exemple, un morceau de papier absorbant)
Étapes à suivre :
- Remplissez le récipient d'eau jusqu'en haut.
- Placez délicatement le clip métallique sur la surface de l'eau. Observez comment le trombone flotte en raison de la tension superficielle de l'eau.
- Prenez un morceau de papier absorbant et placez-le à la surface de l'eau en touchant le clip.
- Regardez ce qui se passe : le papier absorbant va instantanément se mouiller tandis que le trombone continue de flotter. Cela se produit parce que l’eau est attirée par les fibres du papier absorbant, brisant la tension superficielle et permettant à l’eau de le mouiller.
Cette expérience démontre comment la tension superficielle de l'eau permet à des objets légers, comme le trombone, de flotter à sa surface et comment la tension superficielle est rompue lorsque l'eau entre en contact avec un matériau capable de l'absorber, comme le papier absorbant.