Caractérisation énergétique de la tension superficielle
Fondamental : Énergie de tension superficielle
Soit
l'augmentation de l'aire
.
Le travail nécessaire pour augmenter l'aire interfaciale est le travail de la force de tension superficielle :
Le coefficient de tension superficielle s'interprète également comme l'énergie à fournir pour augmenter la surface d'une unité.
On retrouve ici l'interprétation énergétique qualitative donnée précédemment.
Quelques ordres de grandeur de
:
Le coefficient de tension superficielle
est homogène au rapport d'une force par une longueur (
) ou au rapport d'une énergie par une surface (
).
A température ordinaire, le coefficient de tension superficielle gamma vaut, pour les liquides, quelques dizaines de
ou
.
Donnons quelques exemples pour des liquides au contact de l'air :
Pour l'éthanol, gamma vaut 22
ou
.Pour l'eau savonneuse, 25
Pour de l'acide acétique dilué à 10%, 55
Pour de l'eau à 20°C, 73 et 75 pour un glaçon
Le coefficient de tension superficielle dépend de la nature du liquide et de celle du gaz en contact avec lui ainsi que de la température et varie considérablement en présence d'impuretés.
Les tensioactifs sont des molécules contenant un pôle hydrophile et une longue chaîne hydrophobe.
Lorsqu'un tensioactif est ajouté à de l'eau, il vient se placer immédiatement à la surface, avec le pôle hydrophobe pointant à l'extérieur de la surface.
Ce processus s'accompagne d'une stabilisation de la surface et donc d'une chute du coefficient de tension superficielle.
Exemple : Force sur un bateau
On peut évaluer la force qui agit sur le bateau que l'on voit avancer sur la vidéo : on note
et
les coefficients de tension superficielle de l'eau pure et de l'eau savonneuse, avec .
.
La force de propulsion s'écrit comme la différence des coefficients de tension superficielle de l'eau et de l'eau savonneuse multipliée par la largeur de l'encoche contenant l'eau savonneuse :
Avec
et
, l'ordre de grandeur de cette force de propulsion est , avec
:
