2-La tension superficielle

Définition:

 À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux denses, la matière n'est pas, localement, dans le même état. Ce nouvel état local a une énergie légèrement supérieure. À la surface ou interface est donc associée une certaine énergie par unité de surface (exprimée en joules par mètres) dont l'origine est la force de cohésion entre molécules identiques. Une autre façon d'exprimer la même chose consiste à dire qu'il existe, au voisinage de la surface ou interface, une certaine contrainte en tension dans le milieu ; c'est une force par unité de longueur, exprimée en Newton/mètre. On parle donc indifféremment d'énergie ou de tension.

On a l'habitude, pour l'interface entre deux milieux denses, de parler de tension interraciale, d'énergie interraciale ou d'énergie d'interface. Entre un milieu dense et un gaz, on parle souvent plutôt de tension superficielle, de tension de surface ou d'énergie de surface.

Cet effet permet par exemple aux insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un liquide, à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité. La tension superficielle explique aussi la formation des bulles de savon et la coalescence des gouttes ou des bulles.

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La goutte:

Dans le cas d'une goutte d'un liquide A au sein d'un liquide B, l'énergie est minimale lorsque la surface est minimale. Or, la forme correspondant à la plus petite surface possible enserrant un volume donné est une sphère. C'est pour cela que les gouttes d'eau ont une forme sphérique. En réalité, la gravité joue également pour déterminer la forme de la goutte.

 


Coalescence de deux gouttes:

Si deux gouttes se rencontrent, elles vont fusionner et ainsi former une seule goutte, toujours pour minimiser l'énergie totale, produit de la tension superficielle par la surface totale. En effet, la surface totale du liquide est ainsi amoindrie.

Exemple de calcul pour deux gouttes de même rayon R.

Leur volume est proportionnel au cube R3 de leur rayon. Le volume de la goutte résultante est donc proportionnel à 2R3 et a donc un rayon égal à 21/3R.

Leur surface est égale à 4πR2 chacune, soit au total 8πR2 . La goute résultante, quant à elle, a une surface 4π ( 21/3 R)2 ≈ 6,3πR2.

Ainsi, la goutte résultante a une surface moindre que les deux gouttes initiales.


 




Ménisque de l'eau dans un verre:

Lorsque l'on met de l'eau dans un verre, elle remonte d'environ un millimètre le long de la paroi; ceci est particulièrement visible dans le cas d'un tube à essai (environ 1 cm de diamètre). C'est ce que l'on appelle un ménisque. À l'inverse, il est possible de faire dépasser la surface de l'eau du bord du verre sans qu'elle ne s'écoule en dehors de celui-ci.


Experience demontrant la presence de la tension superficielle

 

Pour ainsi démontrer la présence de la tension superficielle, nous avons trouvé un protocole très simple. Il s’agit de déposer une aiguille, qui a une masse très faible sur cette tension superficielle qui est invisible. Si on la dépose directement sur cette tension, celle-ci se brisera, et l’aiguille coulera directement jusqu’au fond du récipient. Or a l’aide d’une feuille qui s'imprègnera de l’eau et donc qui coulera au bout d’un certain temps, l’aiguille se dépose ainsi en douceur sur la tension superficielle sans qu’elle ne cède. On remarquera donc que l’aiguille flotte sur l’eau, cependant, elle ne “flotte” pas, mais repose sur la tension superficielle.

 

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