Tension superficielle - Définition et Explications

La tension superficielle permet à un peng? hongrois de ne pas couler au fond du verre d'eau

La tension superficielle, ou énergie d'interface, ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) de deux milieux.

Cet effet permet par exemple aux insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur environnement (association loi de 1901), elle...) de marcher sur l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Elle est...). La tension superficielle (La tension superficielle, ou énergie d'interface, ou énergie de surface, est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux.) explique aussi la formation des bulles de savon (Le savon est un objet liquide ou solide composé de molécules amphiphiles composées de sels métalliques, spécifiquement d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium, et d'acides gras.).

Mécanisme

Interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître...) liquide/gaz

Au sein d'un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides...) (liquide ou gaz), les molécules exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion : force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) de Van der Waals (attraction), force électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) (attraction ou répulsion). On parle de " forces intermoléculaires ".

Si l'on considère un corps pur (En chimie, un corps pur est composé d'un seul type de constituant (contraire : mélange). Il existe plusieurs types de corps purs.) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), composé d'un seul type de molécules, les molécules s'attirent (sinon, elles ne formeraient pas une phase). Au sein du liquide, chaque molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) est tirée dans toutes les directions par les molécules voisines de liquide : la résultante des forces est nulle.

Dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), une molécule n'est, par contre attirée par rien. Donc, à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les époques. Entre les...) liquide/vide, les molécules sont attirées côté liquide mais pas côté vide ; la résultante des forces s'exerçant sur les molécules de la surface est donc dirigée vers l'intérieur du liquide. Ceci tend la surface.

Dans le cas d'une interface liquide/vide, c'est donc un effet au sein d'un liquide qui amène la surface à se déformer comme une membrane élastique.

Mais on sait que soumis au vide, une partie du liquide s'évapore (voir l'article Pression de vapeur saturante (La pression de vapeur saturante ou tension de vapeur est la pression à laquelle la phase gazeuse de cette substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide. Elle dépend de la température. Certains utilisent le terme « pression...)). Si cette pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) est faible, le liquide est soumis à une faible compression, et les molécules de la surface sont également soumises à une faible attraction de la part de leurs paires de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse ; mais la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) du gaz étant très inférieure à celle du liquide, cette attraction est négligeable.

Si maintenant il y a un autre gaz au-dessus (par exemple de l'air), le phénomène est similaire. Le liquide est soumis à la pression du gaz, et les molécules à la surface du liquide sont soumises à l'attraction ou à la répulsion de la part des molécules du gaz. Du fait de la faible densité du gaz par rapport au liquide, on néglige en général cette dernière contribution.

La forme de la surface résulte donc de l'équilibre entre la pression du gaz, l'attraction par l'intérieur du liquide, et le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la...) si l'on est en présence de pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous les corps matériels au voisinage de la Terre : on observe ainsi qu'en un lieu...).

Notons que le liquide peut être sous la forme d'une pellicule ; cette pellicule est alors soumise à la pression du gaz des deux côtés. Si les forces d'attraction au sein du liquide sont faibles, la pellicule ne tient pas. À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...), si ces forces sont fortes, la pellicule tient bien et a un comportement élastique (bulle de savon).

Interface liquide/liquide

Lorsque deux liquides A et B sont miscibles, il forment une seule phase. Par contre, s'ils sont non miscibles, ils forment deux phases séparées.

S'ils sont non miscibles, c'est que les molécules se repoussent. Les molécules situées à l'interface sont donc soumises :

• pour les molécules de A :
  • à une attraction vers l'intérieur du liquide A ;
  • à une répulsion de la part des molécules de B ;
• pour les molécules de B :
  • à une attraction vers l'intérieur du liquide B ;
  • à une répulsion de la part des molécules de A.

On voit donc que la résultante des forces est située vers l'intérieur de chacun des liquides dans tous les cas.

La forme de l'interface est donc déterminée par

• les forces d'attraction au sein des liquides, A/A et B/B ;
• la force de répulsion entre A et B ;
• la pesanteur le cas échéant.

C'est le cas de l'eau et de l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à l'eau, mais, est...), de la vinaigrette :

• soit l'huile forme une couche au-dessus de l'eau ;
• soit l'huile forme des gouttelettes au sein de l'eau (émulsion).

Interface triple : Le contact solide – liquide – vapeur

On est souvent en présence d'une interface triple solide/liquide/gaz, par exemple

• goutte posée sur un solide ;
• goutte suspendue à un solide ;
• bord d'un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants,...).

Les interactions liquide/gaz on été décrites ci-dessus.

De même, les molécules du liquide peuvent être attirées ou repoussées par les molécules du solide. La forme de l'interface au niveau du point (Graphie) triple va donc être déterminée par :

• la force d'attraction au sein du liquide ;
• l'attraction ou la répulsion de la part du solide ;
• la pression du gaz, et éventuellement l'attraction ou la répulsion par le gaz ;
• la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.).

S'il y a attraction entre le liquide et le solide :

• la goutte posée sur le solide va avoir tendance à s'étaler ;
• la goutte suspendue va être retenue ;
• le liquide va remonter le long du verre (ménisque, capillarité).

S'il y a répulsion entre le liquide et le solide :

• la goutte posée sur le solide va avoir tendance à " se regrouper ", à prendre une forme sphérique ;
• la goutte suspendue va tomber ;
• le liquide va s'incurver vers le haut.

Des composés permettent de diminuer la tension (La tension est une force d'extension.) superficielle, ce sont des tensioactifs.

Modélisation

La tension superficielle se mesure en newtons par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la...) (N·m^-1). On la définit comme la force qu'il faut appliquer à l'unité de longueur (Il existe de nombreuses unités de longueur ne faisant pas partie du système international. Certaines sont utilisées dans des domaines scientifiques pour simplifier les expressions, d'autres...) le long d'une ligne perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient...) à la surface d'un liquide en équilibre pour provoquer l'extension de cette surface, ou comme le travail exercé par cette force par unité de surface. L'unité de tension superficielle (N·m^-1) est équivalente à des joules par mètre carré (Le mètre carré (symbole m²) est l'unité d'aire du système international.) (J·m^-2), qui correspondent à une unité d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de surface. On peut définir cette énergie d'interface comme étant le surplus d'énergie chimique par rapport au cas où les molécules de surface se trouveraient à l'intérieur du liquide.

Le système tend à minimiser l'énergie de surface.

Liquides non miscibles

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 est une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé centre....). C'est pour cela que les gouttes d'eau ont une forme circulaire.

Si deux gouttes se rencontrent, elles vont fusionner et ainsi former une seule goutte (coalescence), toujours pour minimiser la tension superficielle. En effet, deux sphères de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) ont une surface plus grande qu'une seule sphère de volume V :

une sphère de volume a un rayon vérifiant , r étant le rayon ; la surface est donc , et la surface des deux gouttes

Une sphère de volume V a un rayon vérifiant , et une surface , soit

soit

Dans ce cas-là, l'énergie globale de l'interface ne dépend que de l'aire de l'interface. Si l'on appelle σ la tension superficielle (densité d'énergie de surface), alors l'énergie nécessaire à créer l'interface est :

W_S = σ·S.

Liquide sur un solide

Si l'énergie d'interface entre un solide et un liquide est forte, alors le liquide ne s'étale pas et reste sous forme de gouttelette.

Expériences

Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'expériences simples permettent de mettre en évidence la tension superficielle

• ménisque de l'eau dans un verre : lorsque l'on met de l'eau dans un verre, l'eau 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) ; ou, à l'inverse, on peut faire dépasser la surface de l'eau du bord du verre sans qu'elle ne s'écoule en dehors de celui-ci.
• goutte qui pend sans tomber : c'est la tension superficielle qui retient la goutte au support ; la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte)...) de la goutte qui tombe d'un compte-goutte est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) par la loi de Tate (La loi de Tate est la loi permettant de calculer la masse d'une goutte sortant d'un compte-goutte.)
• propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice l'énergie fournie par le milieu extérieur ou par un moteur.) à l'huile ou au savon ;
• Un liquide peut monter dans un tube fin : loi de Jurin (La loi de Jurin donne la hauteur à laquelle un liquide monte dans un tube capillaire.)
• fontaine de soda : dans un soda, les molécules du gaz carbonique dissout sont solvatées, les molécules d'eau forment un bouclier autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) du CO₂ ; si l'on secoue la bouteille, on vainc la tension superficielle du bouclier et les molécules de CO₂ se regroupent pour former des bulles ; ou bien en utilisant une poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de...), les petits grains abaissent la tension superficielle, on peut par exemple mettre des chewing-gums (voir aussi (en) Menthos fountain).

Valeurs

Les valeurs suivantes sont tirées du polycopié de Broch :

• eau
  • 0 °C : σ = 7,6·10^-2 N·m^-1 ;
  • 20 °C : σ = 7,3·10^-2 N·m^-1 ;
  • 37 °C : σ = 7,0·10^-2 N·m^-1 ;
• plasma sanguin (Le plasma sanguin est le composant liquide du sang, dans lequel les cellules sanguines sont en suspension. Il constitue 55 % du volume total du sang.), 37 °C : σ = 7,3·10^-2 N·m^-1 ;
• eau + surfactant pulmonaire : 2,5·10^-2 N·m^-1 ;
• mercure, 20 °C : σ = 4,36·10^-1 N·m^-1.

Source : Flow Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) inc.

• eau + huile à 20 °C : σ = 2,0·10^-2 N·m^-1 ;