La tension superficielle ou
tension de surface
(énergie d'interface / énergie de surface) est
la tension qui existe à la surface de séparation de
deux milieux. Cette tension est due au fait que les molécules,
à la limite de séparation, ne sont pas soumises aux
mêmes forces de Van der Waals de la part de toutes leurs
voisines. C'est la résultante des forces s'exerçant sur
une molécule de la surface et dirigée vers
l'extérieur d'un liquide. En physique, c'est donc un effet au
sein d'un liquide qui amène la surface à se
déformer comme une membrane élastique.
Cet effet permet par exemple aux insectes de marcher sur l'eau,
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 le phénomène de ménisque (dans ce cas,
l'énergie d'interface verre/eau étant plus faible que
l'énergie d'interface verre/air).
La tension superficielle représente donc la force de la
pellicule de surface du liquide. Elle est causée par
l'attraction entre les molécules de liquide, due aux forces
intermoléculaires. Au milieu du liquide, chaque
molécule est tirée dans toutes les directions par les
molécules voisines de liquide : la résultante des
forces est nulle. À la surface du liquide, les
molécules sont tirées vers l'intérieur du
liquide par les molécules situées sur les
côtés et en dessous en profondeur, mais il n'y a pas de
molécules à l'extérieur du liquide pour
équilibrer ces forces. Il peut y avoir une faible attraction
exercée par les molécules d'air, mais elle est
négligeable par rapport à l'attraction des
molécules du liquide. La seule force qui s'oppose à
cette attraction est la résistance à la compression du
liquide. La tension superficielle est essentielle au transfert de
l'énergie éolienne à l'eau pour créer des
vagues.
NOTA : on peut définir l'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. Dans le cas d'une goutte d'eau, l'énergie est
minimale lorsque la surface est minimale. Or la forme correspondant
à la plus petite surface possible est une sphère.
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 V/2 ont une
surface plus grande qu'une seule sphère de volume V. 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.
Les composés qui permettent de diminuer la tension
superficielle (qui diminuent l'énergie d'interface), sont des
tensio-actifs. Les émulsifiants sont des tensioactifs.
Unité. Elle se mesure en newtons par
mètre (N/m-1). On la définit comme la
force qu'il faut appliquer à l'unité de longueur le
long d'une ligne perpendiculaire 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, et est équivalente à des
joules par mètre carré (J/m²), qui correspondent
à une unité d'énergie de surface.
Anciennement exprimé en dynes/cm (équivalent au
mN.m).
Systèmes de mesure (tensiomètres): méthode de
l’anneau, méthode de la lame, méthode de la force
de traction maximale, méthode de la goutte pendante ou de la
goutte tournante, méthode de la pression de la bulle
(lien
externe).
Influence de la température et de la salinité.
L’eau pure à une tension superficielle (interface
liquide-air) hors du commun (2,5 à 3 fois plus
élevée que les autres liquides). Cette tension diminue
avec l'augmentation de température, mais augmente avec la
salinité.
Variation en fonction de la température et de la
salinité (milliNewton par
mètre, mN/m, ou
mJ/m²)
> pour l'eau de salinité nulle :
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Comparaison avec différents liquides :
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Liquides |
Température |
Tension superficielle (mN.m) |
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Eau |
20°C |
72,8 |
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